所有這些係統都需要使用一個或多個光發射器（需要控製），以及一個光電探測器來測量光電流量，由此測量接收到的光量。這個接收信號最終需要放大、調節
，並數字化。聽起來這種光學係統似乎非常簡單；但是，在缺少光學知識的情況下
，很容易檢索到與用戶尋找的信號毫不相關的光學信號。

 

為(wei)了(le)幫(bang)助(zhu)公(gong)司(si)達(da)成(cheng)光(guang)學(xue)目(mu)標(biao)
，我(wo)們(men)新(xin)推(tui)出(chu)了(le)一(yi)款(kuan)全(quan)集(ji)成(cheng)式(shi)光(guang)學(xue)模(mo)塊(kuai)。該(gai)模(mo)塊(kuai)經(jing)過(guo)測(ce)試(shi)並(bing)與(yu)成(cheng)熟(shu)的(de)分(fen)立(li)式(shi)光(guang)學(xue)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)對(dui)比(bi)，結(jie)果(guo)相(xiang)當(dang)出(chu)色(se)。我(wo)們(men)將(jiang)詳(xiang)細(xi)介(jie)紹(shao)本(ben)次(ci)測(ce)試(shi)的(de)結(jie)果(guo)和(he)所(suo)用(yong)方(fang)法(fa)。

 

PPG測量理論和介紹

 

隨著對家庭健康、baojianheyufangdeguanzhutigao，weiraozhinengshebeixingchengleyigexindeshichang，yongyugenzongduoxiangshengmingtizhengcanshu。shouxianshixiongdai，gaishebeishiyongshengwudianshijishulaijiancexinlv，danzuijinde5到8年，市場普遍轉向光學係統
，開始利用光電容積脈搏波(PPG)。這zhe項xiang技ji術shu的de一yi大da優you點dian是shi我wo們men可ke以yi在zai人ren體ti上shang取qu一yi個ge點dian進jin行xing測ce量liang，而er生sheng物wu電dian勢shi係xi統tong最zui少shao需xu要yao使shi用yong兩liang個ge電dian極ji才cai能neng對dui心xin髒zang實shi施shi測ce量liang。對dui用yong戶hu而er言yan
，這zhe不bu是shi很hen方fang便bian
，因yin此ci，對dui光guang學xue心xin率lv監jian測ce(HRM)和心率變異性(HRV)監測的關注急劇增加。

 

在(zai)設(she)計(ji)這(zhe)樣(yang)的(de)係(xi)統(tong)之(zhi)前(qian)
，需(xu)要(yao)先(xian)搞(gao)清(qing)楚(chu)幾(ji)個(ge)問(wen)題(ti)。最(zui)終(zhong)應(ying)用(yong)是(shi)什(shen)麼(me)？您(nin)想(xiang)要(yao)在(zai)人(ren)體(ti)的(de)哪(na)個(ge)部(bu)位(wei)實(shi)施(shi)測(ce)量(liang)？您(nin)有(you)多(duo)少(shao)時(shi)間(jian)來(lai)開(kai)發(fa)係(xi)統(tong)？根(gen)據(ju)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)的(de)答(da)案(an)

，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)能(neng)采(cai)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)設(she)計(ji)路(lu)徑(jing)。

 

測量PPG采用兩種不同的原則。您可以讓光通過身體的某個部位
，例如手指或耳垂，然後在反麵測量接收到或未吸收的光量；或者，在身體的同一側發射光並測量反射的光量。與反射係統相比

，測量通過人體的光量得出的信號量大約多出40 dB至60 dB；但是
，采用反射係統時，您可以隨意選擇放置傳感器的位置。

 

圖1.光學HRM/HRV係統的典型框圖

 

由於大部分用戶更重視傳感器舒適度，而不是性能
，所以反射測量方法更受歡迎。所以，本文隻介紹反射測量技術。

 

心髒跳動期間，心髒係統中的血流量發生變化，導致接收到的反射光發生散射。用於測量光學HRM/HRV的(de)光(guang)源(yuan)的(de)波(bo)長(chang)不(bu)止(zhi)取(qu)決(jue)於(yu)人(ren)體(ti)測(ce)量(liang)點(dian)
，還(hai)取(qu)決(jue)於(yu)相(xiang)對(dui)灌(guan)注(zhu)水(shui)平(ping)，以(yi)及(ji)組(zu)織(zhi)的(de)溫(wen)度(du)和(he)色(se)調(tiao)。一(yi)般(ban)，對(dui)於(yu)腕(wan)戴(dai)式(shi)設(she)備(bei)，動(dong)脈(mai)不(bu)位(wei)於(yu)手(shou)腕(wan)頂(ding)端(duan)，您(nin)需(xu)要(yao)從(cong)皮(pi)膚(fu)表(biao)層(ceng)下(xia)的(de)靜(jing)脈(mai)和(he)毛(mao)細(xi)血(xue)管(guan)來(lai)檢(jian)測(ce)脈(mai)動(dong)分(fen)量(liang)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)
，綠(lv)色(se)光(guang)表(biao)示(shi)最(zui)佳(jia)結(jie)果(guo)。在(zai)有(you)足(zu)夠(gou)血(xue)液(ye)流(liu)動(dong)的(de)位(wei)置(zhi)
，例(li)如(ru)上(shang)臂(bi)、太陽穴或耳道
，使用紅色光或紅外光可能更有效，它們可以更深入地穿透組織，給出更強勁的接收信號。

 

ADPD188 遊戲規則正在改變？

 

在權衡考慮時，如傳感器位置和LED波長，您需要選擇最合適的光學解決方案。關於模擬前端有很多選擇，可以選擇分立式或全集成式，也提供大量光電探測器和LED可供選擇。關鍵在於發射器和接收器的放置方式有利於每毫安發射電流獲取最大量的接收信號。這就是所謂的電流傳輸比
，通常用nA/mA表示。在光學係統中，調製指數同樣重要，它是交流信號相對於光學直流偏置的量。增大光傳感器和LED之間的距離時，調製指數增大。在光電探測器和LED之間存在一個最佳點，這也取決於LED波長。在設計不當的機械係統中，LED光可以不穿透人體組織，直接到達光傳感器。這會導致直流偏置
，對調製指數產生不利影響。它表現為光串擾，也稱為內部光汙染(ILP)。

 

為最大程度減輕設計工作量並縮短上市時間
，特別是對於缺乏光學知識的公司
，ADI公司構建了全集成式光學子係統
，用於反射測量。即ADPD188GG，內含進行光學測量所需的全部器件。圖2所示為此模塊的照片。

 

圖2.ADPD188GG光學子係統

 

ADPD188GG是一種全新設計的光學模塊
，與前代模塊相比尺寸不同。其外形幾乎呈方形，尺寸為3.98 mm x 5.0 mm
，總體厚度為0.9 mm。改動最大的部分是光電探測器，與前代產品相比
，方向旋轉了90°。相對於LED，這種傳感器位置可以提供更高的靈敏度。光傳感器本身分為0.4 mm2和0.8 mm2。這(zhe)提(ti)供(gong)了(le)靈(ling)活(huo)性(xing)，可(ke)以(yi)增(zeng)加(jia)整(zheng)體(ti)光(guang)二(er)極(ji)管(guan)表(biao)麵(mian)，以(yi)實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)靈(ling)敏(min)度(du)，或(huo)者(zhe)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)更(geng)小(xiao)巧(qiao)的(de)檢(jian)測(ce)器(qi)來(lai)防(fang)止(zhi)傳(chuan)感(gan)器(qi)達(da)到(dao)飽(bao)和(he)。光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)被(bei)放(fang)置(zhi)在(zai)模(mo)擬(ni)前(qian)端(duan)上(shang)麵(mian)。ADI正在使用獨立的ADPD1080AFE。它有4個輸入通道，每個通道都圍繞具備可選增益（25k、50k、100k和200k）的互阻放大器、環境光抑製塊和一個14位SAR ADC設計。環境光抑製在模擬域完成，相比市麵上的其他解決方案，性能更為出色。最後
，兩個綠色LED受集成電流源管控，能夠驅動高達370 mA的電流和1 μs窄脈衝
，以降低總體的平均電流。封裝設計使得發射的LEDguangzaibuchuantourentizuzhideqingkuangxia
，hennandaodaguangchuanganqi。zhekeyifangzhichuxianguangchuanrao
，weiyonghutigongzuijiatiaozhizhishu
，jishichuanganqifangzhizaibolihuosuliaochuangkouzhixia。shejiguangxuefanshexitongshi

，zhegetexingfeichangyouyong。duiyugengshihecaiyongfasheceliangdeyingyong
，ADPD188GG可以繞過內部LED
，與外部連接的LED配合使用。

 

與成熟解決方案比較

 

在(zai)開(kai)始(shi)新(xin)光(guang)學(xue)設(she)計(ji)之(zhi)前(qian)，需(xu)要(yao)先(xian)確(que)定(ding)目(mu)標(biao)市(shi)場(chang)，以(yi)及(ji)最(zui)終(zhong)產(chan)品(pin)所(suo)需(xu)的(de)規(gui)格(ge)，這(zhe)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)
，相(xiang)對(dui)於(yu)用(yong)於(yu)體(ti)育(yu)和(he)保(bao)健(jian)市(shi)場(chang)的(de)設(she)備(bei)
，具(ju)有(you)醫(yi)療(liao)級(ji)性(xing)能(neng)的(de)光(guang)學(xue)係(xi)統(tong)規(gui)格(ge)更(geng)高(gao)。

 

ADPD107是一種模擬光學前端，適用於分立式光學係統。在市麵光學前端中，它被視為典範產品
，憑借出色性能廣泛用於多種醫療產品中。DataSenseLabs Ltd.具備與ADPD107相關的豐富經驗。但是

，由於全集成式光學模塊在某些用例中具備一定優勢，所以DataSenseLabs Ltd.開始研究這些模塊並進行比較分析
，比較ADPD107與ADPD188GG集成光學模塊之間的性能。接下來，我們將詳細介紹測試設置

、配置和測試結果。

 

測試設置和數據收集

 

為了實施光學比較，我們在2分鍾時間裏，同時記錄ADPD188GG和ADPD107的原始PPG讀數。設置ADPD188GG時，使用了標準評估板，而ADPD107是可穿戴演示平台(EVAL-HCRWATCH)內部的光學係統的組成部分。兩種係統都由ADI公司的用戶界麵應用wavetool軟件控製。

 

為了實施測試
，對配置設置實施優化，以獲得最高的信號質量。我們保留了AFE配置
，包括將LED脈衝
、時序和互阻增益保持在特定範圍

，令兩種係統保持相同的功耗，以進行公平的比較（參見表1）。

 

表1.ADPD188GG和典範產品ADPD107之間的光學模塊比較

 

表1顯示ADPD188GG LED電流，其數量高達ADPD107設置中LED電流的2倍。原因在於，集成解決方案的光電二極管表麵小於分立式解決方案的表麵，必須進行補償。采用兩個由3 V電源供電的LED會令整體功耗增加156 μW，與整體功耗相比，幾乎可以忽略不計。我們按100 Hz速率對ADC采樣，這在可穿戴係統中非常常見。此外，我們按500 Hz采樣速率進行測量，該值常用於具備臨床性能的係統。

 

數(shu)據(ju)記(ji)錄(lu)環(huan)境(jing)與(yu)常(chang)規(gui)智(zhi)能(neng)手(shou)表(biao)或(huo)健(jian)身(shen)跟(gen)蹤(zong)器(qi)所(suo)處(chu)的(de)環(huan)境(jing)相(xiang)同(tong)，隻(zhi)是(shi)光(guang)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)位(wei)於(yu)手(shou)腕(wan)上(shang)方(fang)。由(you)於(yu)慣(guan)用(yong)手(shou)和(he)非(fei)慣(guan)用(yong)手(shou)皮(pi)下(xia)層(ceng)的(de)微(wei)循(xun)環(huan)和(he)血(xue)管(guan)收(shou)縮(suo)特(te)性(xing)稍(shao)有(you)不(bu)同(tong)，所(suo)以(yi)兩(liang)個(ge)光(guang)學(xue)係(xi)統(tong)會(hui)反(fan)複(fu)記(ji)錄(lu)兩(liang)隻(zhi)手(shou)腕(wan)的(de)數(shu)據(ju)。然(ran)後(hou)仔(zai)細(xi)分(fen)析(xi)和(he)比(bi)較(jiao)從(cong)左(zuo)右(you)手(shou)腕(wan)收(shou)集(ji)的(de)數(shu)據(ju)集(ji)
，以(yi)避(bi)免(mian)因(yin)為(wei)放(fang)置(zhi)位(wei)置(zhi)對(dui)信(xin)號(hao)質(zhi)量(liang)產(chan)生(sheng)影(ying)響(xiang)。PPG數據集來源於11位不同的用戶（受試者），這些用戶都保持坐姿，處於相同的環境光密度條件下。

 

數據分析和統計

 

采用比較方法非常重要
，因為信號質量驗證不止意味著要進行硬科學信號處理
、shujufenxihetongji，haiyaofenxishichanghezuizhongyonghudeqiwangyaoqiu。yaozaikechuandaishichanghuodechenggong，ninxuyaocaiyongdingyimingquedeanli，bingqieqingchuzhidaotongguoguangxuexinhaoxiangyaohuodeshenmeyangdejieguo。

 

光學心率監測器與健身跟蹤和健康狀況監測應用密切相連，但也有許多將光學技術用於醫療級係統的使用案例。在健身
、衛生信息學或與醫療相關的使用案例中，峰值檢測算法的精度主要取決於原始數據質量
，與PPG信號的局部極大值相關。準確的峰值檢測不僅是實施心率或HRV測量的原則，在實施基於PPG血壓的估算檢測時也極為重要。所以，如果最終提取和計算的PPG信號要用於支持健康類應用，那麼設計人員必須選擇提供最佳物理信號質量的傳感器平台。比較測量配置和數據分析基於János Pálhalmi的生物信號計量專利（待決ID：P1900302）設計和施行。1

 

最終結果

 

為了支持峰值檢測算法，可以輕鬆提取和過濾PPGyuanshishujuzhongdejixianbodong。tongshi，rushangsuoshu
，yaotiqumubiaojieguo，xuyaofengzhizaiyuanshishujujibieyejubeigaoxinhaozhiliang。yinci，benwenzhongdianguanzhuzhuyaopinduanbijiaofenxi，mubiaoshiyoudianfanchanpinADPD107和新集成的ADPD188GG光學模塊測量的PPG信號峰值。信號的主要部分未改動，但非常緩慢的基線波動(<0.25 Hz)和高頻分量(>40 Hz)已過濾。

 

圖3.提取單獨的PPG波形（局部極大值周圍的±125數據點），並彼此重疊比較（藍色點線）。

波形的總體平均值用紅線表示。上圖顯示了由ADPD188GG和ADPD107分立式解決方案

記錄的PPG信號之間的相似性。

 

計算子波相幹性和相關比較
，以比較最主要頻率範圍內兩個信號之間的穩定性。圖3顯示，兩種PPG係統在單個波形及其平均值上的結果模式幾乎相同。

 

為了繼續在更深層次的數據水平上比較
，我們采用了兩種不同的基於相關性的方法。計算每個即將推出的PPG波形之間的相關係數和P值（R、P）。還可以通過比較每個單獨的PPG波形與平均值來測試另一種信號差異。

 

基於綜合相關測試，我們可以得出結論：兩種接受比較的PPG係統之間不可能出現巨大差異，不論是在單個波形級別，還是單個波形與平均值的比較級別。

 

子波方法對特定頻段內的差異非常敏感。因此，我們計算了子波相幹性函數，以比較兩種PPG信號。基於所有11位受試者的分析結果
，兩個信號的頻率域或相位域之間不存在明顯差別（參見圖4）。

 

圖4.兩個接受比較的PPGxinhaodezongtipingjunzhizhijiandefudufangboxiangganxingyoushijianyuhepinlvyuzhongdeyanseqiangdutubiaoshi。jiantoufangxiangyuxinhaozhijiandexiangweichachengzhengbi。fangxiangxiangyoudeshuipingxinhaobiaoshixinhaozhijianbucunzaixiangweicha。1

 

開發新產品時

，查看特定的頻段也可能有用
，這些頻段提取自給定信號
，可用於優化產品規格。

 

在本測試中
，在所有相關頻率範圍內，對接受比較的兩種PPG係統之間的幅度方波相幹性的基礎統計特性進行分析

，如圖5所示。整個頻譜被分為6個特定的頻率範圍
，以分析各信號之間的相似性差異。

 

對於所有11位受試者
，在PPG信號峰值周圍的所有頻段內，其相幹性值都高於0.95

，這表示
，典範產品和新集成的ADPD188GG之間相似度非常高。

 

圖5.幅度方波子波相幹性值的描述性統計特性在4個相關頻率範圍（0 Hz至20 Hz）內顯示。1

 

結論

 

ADPD188GG是ADI公司一款全集成式光學模塊

，用於測量心率、xinlvbianyixingheyangbaohedu
，bingjiancelianxudexueyagusuan。youyugaimokuaijiangguangxuehedianziqijiandoujichengzaiweixingfengzhuangnei
，suoyikeyibangzhuquefaguangxuezhishideshejirenyuanhegongsisuoduanzongshejizhouqi。gaimokuaizhenduicaiyongfansheceliangfangfa
，qiebochangwei525 nm的應用實施優化

；但是，外部LED也ye可ke用yong於yu在zai不bu同tong波bo長chang下xia測ce量liang，或huo基ji於yu發fa射she原yuan理li測ce量liang。我wo們men已yi經jing證zheng明ming，集ji成cheng係xi統tong不bu妨fang礙ai我wo們men滿man足zu院yuan外wai係xi統tong或huo臨lin床chuang係xi統tong中zhong各ge個ge使shi用yong案an例li需xu要yao的de規gui格ge。

 

有關更多信息，請訪問analog.com/healthcare。

 

參考資料

 

1 János Pálhalmi。生物信號計量專利

，P1900302。

 

作者簡介

 

DataSenseLabs Ltd.的János Pálhalmi博士是一名神經科學家、計量學家，擁有健康科學學位。作為一名編程人員
，他專注於生物信號處理和數據分析。János在電生理學和光學生物傳感器信號分析方麵擁有20多年的經驗
，涉及分子和細胞水平分析以及人類健康相關應用。

 

從2017年底開始，他和他的公司DataSenseLabs Ltd. (datasenselabs.net)一直與ADIgongsideyiliaojiankangyewubumenzaikechuandaishengwuxinhaopingguhefenleilingyuzhankaihezuo。tademubiaoshibangzhuhezuohuobanzaijiankangzhuangtaijianceyingyongzhongzhaodaoshiheyufangyucedegaozhiliangjiejuefangan。

 

Jan-Hein Broeders是ADI公司負責歐洲、中東和非洲市場醫療健康業務的開發經理。他與醫療健康行業密切合作，將他們現在和將來的需求轉化為各種解決方案
，這些方案基於ADI公司市場領先的線性和轉換器技術和數字信號處理與電源產品。20多年前
，Jan-Hein開始從事半導體行業，擔任ADI公司的現場應用工程師，自2008年起開始擔任目前的醫療健康部門職務。他擁有荷蘭斯海爾托亨博斯大學的電氣工程學士學位。聯係方式：jan.broeders@analog.com。

 

 

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