作者：Dr. János Pálhalmi (PhD) and Jan-Hein Broeders

光電容積脈搏波 （PPG） 是測量血氧飽和度 （SPO） 的常用技術2）血液中的水平。光由光發射器發送到體內，并用光接收器測量反射光或未吸收的光量。根據兩個波長之間的比例，可以測量氧合血紅蛋白的量。類似的技術也用于通過光學技術或心率變異性測量心率。

所有這些系統都需要一個或多個需要控制的光發射器，以及一個光電探測器來測量光電流量作為接收光的量度。該接收信號最終需要放大、調理和數字化。這樣的光學系統聽起來很簡單;然而，由于缺少光學知識，檢索光信號非常容易，這與用戶正在尋找的信號沒有任何關系。

為了幫助公司實現其光學目標，我們推出了一種新的、完全集成的光學模塊。它已經過測試，并與久經考驗的分立光學系統進行了比較，并具有出色的結果。

隨著對家庭健康、保健和預防的日益關注，圍繞用于跟蹤幾個重要參數的智能設備誕生了一個新的市場。最初，這始于胸帶 - 使用生物電勢技術監測心率 - 但在過去的五到八年中，利用光電容積脈搏波（PPG）向光學系統帶來了重大轉變。這項技術的最大優點是我們可以在身體的單個點進行測量，而生物電勢系統需要至少兩個電極來測量整個心臟。這不是非常用戶友好，因此，對光學心率監測（HRM）和監測心率變異性（HRV）的興趣急劇增加。

在設計這樣的系統時，有幾個問題需要回答。最終應用是什么，您想在身體的哪個位置進行測量，以及您有多少時間來開發系統？根據這些問題的答案，設計人員可能會遵循特定的設計路線。

測量PPG有兩種不同的原則。您可以通過身體的某個部位（例如手指或耳垂）發送光，并測量對面接收或未吸收的光量;或者光在測量反射光量的身體的同一側發送。與反射系統相比，通過身體傳輸進行測量可提供大約 40 dB 至 60 dB 的信號;但是，在反射系統中，您可以自由選擇傳感器的放置位置。

圖1.光學HRM/HRV系統的經典框圖。

由于大多數用戶更喜歡傳感器的舒適性而不是性能，因此反射測量變得更加流行。因此，本文將僅關注反射式測量。

在心跳的時間跨度內，心臟系統中的血液流量和體積會發生變化，導致接收到的反射光量散射。用于測量光學HRM/HRV的光源波長不僅取決于測量身體的位置，還取決于相對灌注水平以及組織的溫度和色調。一般來說，對于佩戴在手腕上的設備，動脈不在手腕頂部，您需要從皮膚表面下方的靜脈和毛細血管中拾取脈動成分。在這種情況下，綠燈效果最好。在血流量充足的地方，如上臂、太陽穴或耳道，紅光或紅外光可能更有效，因為它們會更深入地穿透組織，從而產生更強的接收信號。

ADPD188改變游戲規則了嗎

在權衡傳感器位置和LED波長等時，您需要選擇最合適的光學解決方案。在模擬前端方面有很多選擇，無論是分立構建的還是完全集成的，但也有多種光電探測器和LED可供選擇。關鍵是要以這樣一種方式放置發射器和接收器，以便為使用的每一毫安發射電流獲得最大數量的接收信號。這稱為電流傳輸比，通常以nA/mA為單位。在光學系統中同樣重要的是調制指數，即交流信號量與光直流偏移的關系。當您增加光電傳感器和 LED 之間的間距時，調制指數會提高。在光電探測器和LED之間的距離上存在一定的最佳點，這也取決于LED波長。在設計不當的機械系統中，LED光可以直接到達光電傳感器，而不會穿透組織。這會導致直流失調，從而對調制指數產生負面影響。它表現為光串擾，也稱為內部光污染（ILP）。

為了最大限度地減少設計工作并縮短上市時間，特別是對于光學知識很少的公司，ADI公司構建了一個完全集成的反射測量光學子系統。這稱為ADPD188GG，包含運行光學測量所需的一切。

ADPD188GG是一款全新設計的光學模塊，與前幾代產品相比，尺寸不同。外形幾乎是方形的，3.98 毫米 x 5.0 毫米，總厚度為 0.9 毫米。最大的改進是光電探測器，它比其前身旋轉了 90°。相對于 LED，此傳感器位置提供了更好的靈敏度。光電傳感器本身已拆分為0.4毫米的尺寸2和 0.8 毫米2.這提供了靈活性，既可以增加整體光電二極管表面以提高靈敏度，也可以使用較小尺寸的檢測器來防止傳感器飽和。光電二極管放置在模擬前端的頂部。ADI公司正在使用獨立的ADPD1080 AFE。它具有四個輸入通道，每個通道圍繞一個具有可選增益（25k、50k、100k 和 200k）的跨阻放大器、一個環境光抑制模塊和一個 14 位 SAR ADC 設計。環境光抑制是在模擬域中完成的，與市場上的其他解決方案相比非常出色。最后，兩個綠色LED由集成電流源控制，能夠驅動高達370 mA的電流，脈沖窄至1 μs，以降低整體平均電流。該封裝的設計方式使得透射的LED光在不穿透組織的情況下幾乎無法到達光電傳感器。這可以防止光串擾，并為用戶提供最佳的調制指數，即使傳感器放置在玻璃或塑料窗口下也是如此。在設計光學反射系統時，這是一個很棒的功能。對于首選透射式測量的應用，ADPD188GG可與外部連接的LED一起使用，并繞過內部LED。

與經驗證的解決方案的比較

在開始新的光學設計之前，確定最終產品的目標市場和所需規格非常重要。與用于運動和健康市場的設備相比，具有醫療級性能的光學系統通常具有更高的規格。

ADPD107是一款模擬光學前端，專為分立式光學系統而設計。它被認為是市場上光學前端的黃金標準，由于其良好的性能，它被用于許多醫療產品。DataSenseLabs Ltd.在ADPD107方面擁有豐富的經驗。但是，由于在某些用例中完全集成的光模塊具有優勢，因此它開始使用它們并進行比較分析，將ADPD107的性能與ADPD188GG集成光模塊進行比較。在以下部分中，您將閱讀有關測試設置、配置和結果的更多信息。

測試設置和數據收集

為了進行光學比較，在2分鐘內與ADPD188GG和ADPD107同時記錄原始PPG讀數。對于ADPD188GG設置，使用了標準評估板，其中ADPD107是可穿戴演示平臺（EVAL-HCRWATCH）內部光學系統的一部分。這兩個系統均由ADI公司的用戶界面應用wavetool軟件控制。

在測試中，配置設置進行了優化，以實現最高的信號質量。我們將AFE的配置（包括LED脈沖、時序和跨阻增益）保持在特定范圍內，以便在兩個系統上實現相同的功耗，以獲得公平的比較（見表1）。

表1顯示了ADPD188GG LED電流，是ADPD107設置中LED電流的兩倍。原因是集成解決方案的光電二極管表面小于分立解決方案的表面，因此我們必須對此進行補償。采用2個LED由3 V電源供電，總功耗增加156 μW，與總功耗相比幾乎可以忽略不計。我們 以 100 Hz 的 速率 對 ADC 進行 采樣， 這 在 可 穿戴 系統 中很常見。此外，我們以500 Hz的采樣率進行測量，這通常用于具有臨床性能的系統。

數據記錄是在與普通智能手表或健身追蹤器相同的情況下進行的，光學傳感器連接到手腕頂部。由于慣用手和非慣用手的皮下層之間的微循環和血管收縮特性可能略有不同，因此兩種光學系統在雙腕上重復記錄。從左右手腕收集的數據集進行了仔細分析和比較，以避免特定位置對信號質量的影響。PPG數據集記錄在11個不同的用戶（受試者）上，當他們坐著并在相同的環境光強度條件下。

數據分析與統計

采用比較方法非常重要，因為信號質量驗證不僅意味著硬科學信號處理、數據分析和統計，而且還與市場和最終用戶的期望有關。為了在可穿戴市場取得成功，您需要明確的用例和明確的目標，即您希望從光信號中獲得什么結果。

光學心率監測器與健身跟蹤和健康監測應用密切相關，但在醫療級系統中可以找到光學技術的許多用例。在健身、健康信息學或醫療相關用例中，峰值檢測算法的準確性主要取決于PPG信號局部最大值附近的原始數據質量。準確的峰值檢測不僅是心率或HRV測量的原理，對于基于PPG的血壓估計檢測也極為重要。因此，如果最終提取和計算的PPG信號應該支持健康相關應用，設計人員必須選擇能夠提供最佳物理信號質量的傳感器平臺。比較測量配置和數據分析是根據János Pálhalmi擁有的生物信號計量專利（申請ID：P1900302）設計和進行的。1

最終結果

為了支持峰值檢測算法，可以輕松減去和過濾PPG原始數據中的基線波動。同時，在原始數據級別需要峰周圍的高信號質量，以提取上述目標結果。這就是為什么在這項研究中，我們專注于對黃金標準ADPD107和新的集成ADPD188GG光模塊測量的PPG信號峰值周圍的主要頻段進行比較分析。信號的主要成分沒有被修改，除了非常緩慢的基線波動（<0.25赫茲）和高頻分量（>40赫茲），它們被濾波。

計算小波相干性和相關性比較，以比較兩個信號在最主要頻率范圍內的穩定性。圖3顯示了兩個PPG系統在單個波形及其平均值水平上的結果模式幾乎相同。

圖3.提取單個PPG波形（局部最大值周圍的±125個數據點）并繪制在彼此之上（藍色虛線）。波形的集成平均值由紅線表示。該圖顯示了ADPD188GG和ADPD107分立解決方案記錄的PPG信號之間的基本相似性。

為了繼續在深度數據級別進行比較，應用了兩種不同的基于相關性的方法。計算每個即將到來的PPG波之間的相關系數和P值（R，P）。通過將每個單獨的PPG波形與平均值進行比較，還測試了信號的另一種變異性。

基于全面的相關測試，我們可以得出結論，無論是在單個波形的水平上，還是在單個波形與平均值的水平上，都不可能觀察到兩個比較的PPG系統之間的任何顯著差異。

小波方法對特定頻段的差異非常敏感。因此，計算小波相干函數以比較兩個PPG信號。根據在所有11名受試者中分析的結果，在頻域或兩個信號之間的相域中沒有觀察到顯著差異（見圖4）。

圖4.兩個比較PPG信號的集成平均值之間的幅度平方相干性由時域和頻域中的顏色強度圖顯示。箭頭的方向與信號之間的相位差成正比。向右的水平箭頭表示信號之間沒有相位差。1

在開發新產品時，查看可以從給定信號中提取的特定頻段也可能會有所幫助，以便能夠優化規格。

在該測試中，分析了兩個比較PPG系統之間幅度平方相干性的基本統計特性，如圖5所示。整個頻譜分為六個特定的頻率范圍，以分析信號之間相似性的可變性。

圖5.幅度平方小波相干值的描述性統計特性顯示在從0 Hz到20 Hz的四個相關頻率范圍內。

對于所有11名受試者，在PPG信號峰值周圍的所有頻段內，相干值均高于0.95，這告訴我們黃金標準與新的集成ADPD188GG之間存在非常高的相似性。

結論

ADPD188GG是一款完全集成的光學模塊，用于測量心率、心率變異性和血氧飽和度，并監測連續血壓估計。由于該模塊在一個微小的封裝中包括光學器件和電子器件，因此它可以幫助設計人員和沒有光學知識的公司縮短其整體設計周期。該模塊針對使用反射式測量方法和 525 nm 波長的應用進行了優化;但是，外部LED也可用于測量不同波長或基于透射原理進行測量。我們已經證明，集成系統并不限制我們滿足院外或臨床系統中各種用例所需的規格。

審核編輯：郭婷