光電容積脈搏波(PPG)是測量血氧飽和度(SPO2)水平的常用技術。使用光發射器向人體(ti) 發射光，然後使用光接收器測量反射或未吸收的光的數量。根據兩(liang) 段波長的比值，可以測量氧合血紅蛋白的數量。類似技術也被用於(yu) 測量心率（結合光學技術）或心率變異性。

所有這些係統都需要使用一個(ge) 或多個(ge) 光發射器（需要控製），以及一個(ge) 光電探測器來測量光電流量，由此測量接收到的光量。這個(ge) 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(yu) 用戶尋找的信號毫不相關(guan) 的光學信號。

為(wei) 了幫助公司達成光學目標，我們(men) 新推出了一款全集成式光學模塊。該模塊經過測試並與(yu) 成熟的分立式光學係統進行對比，結果相當出色。我們(men) 將詳細介紹本次測試的結果和所用方法。

PPG測量理論和介紹 

隨著對家庭健康、保健和預防的關(guan) 注提高，圍繞智能設備形成了一個(ge) 新的市場，用於(yu) 跟蹤多項生命體(ti) 征參數。首先是胸帶，該設備使用生物電勢技術來監測心率，但最近的5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)。這項技術的一大優(you) 點是我們(men) 可以在人體(ti) 上取一個(ge) 點進行測量，而生物電勢係統最少需要使用兩(liang) 個(ge) 電極才能對心髒實施測量。對用戶而言，這不是很方便，因此，對光學心率監測(HRM)和心率變異性(HRV)監測的關(guan) 注急劇增加。

在設計這樣的係統之前，需要先搞清楚幾個(ge) 問題。最終應用是什麽(me) ？您想要在人體(ti) 的哪個(ge) 部位實施測量？您有多少時間來開發係統？根據這些問題的答案，設計人員可能采用不同的設計路徑。

測量PPG采用兩(liang) 種不同的原則。您可以讓光通過身體(ti) 的某個(ge) 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(ti) 的同一側(ce) 發射光並測量反射的光量。與(yu) 反射係統相比，測量通過人體(ti) 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(chuan) 感器的位置。

圖1.光學HRM/HRV係統的典型框圖

由於(yu) 大部分用戶更重視傳(chuan) 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(yu) 測量光學HRM/HRV的光源的波長不止取決(jue) 於(yu) 人體(ti) 測量點，還取決(jue) 於(yu) 相對灌注水平，以及組織的溫度和色調。一般，對於(yu) 腕戴式設備，動脈不位於(yu) 手腕頂端，您需要從(cong) 皮膚表層下的靜脈和毛細血管來檢測脈動分量。在這種情況下，綠色光表示最佳結果。在有足夠血液流動的位置，例如上臂、太陽穴或耳道，使用紅色光或紅外光可能更有效，它們(men) 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(chuan) 感器位置和LED波長，您需要選擇最合適的光學解決(jue) 方案。關(guan) 於(yu) 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(guan) 鍵在於(yu) 發射器和接收器的放置方式有利於(yu) 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(chuan) 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(yu) 光學直流偏置的量。增大光傳(chuan) 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(ge) 最佳點，這也取決(jue) 於(yu) LED波長。在設計不當的機械係統中，LED光可以不穿透人體(ti) 組織，直接到達光傳(chuan) 感器。這會(hui) 導致直流偏置，對調製指數產(chan) 生不利影響。它表現為(wei) 光串擾，也稱為(wei) 內(nei) 部光汙染(ILP)。

為(wei) 最大程度減輕設計工作量並縮短上市時間，特別是對於(yu) 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(yu) 反射測量。即ADPD188GG，內(nei) 含進行光學測量所需的全部器件。圖2所示為(wei) 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(yu) 前代模塊相比尺寸不同。其外形幾乎呈方形，尺寸為(wei) 3.98 mm x 5.0 mm，總體(ti) 厚度為(wei) 0.9 mm。改動最大的部分是光電探測器，與(yu) 前代產(chan) 品相比，方向旋轉了90°。相對於(yu) LED，這種傳(chuan) 感器位置可以提供更高的靈敏度。光傳(chuan) 感器本身分為(wei) 0.4 mm2和0.8 mm2。這提供了靈活性，可以增加整體(ti) 光二極管表麵，以實現更高靈敏度，或者可以使用更小巧的檢測器來防止傳(chuan) 感器達到飽和。光電二極管被放置在模擬前端上麵。ADI正在使用獨立的ADPD1080AFE。它有4個(ge) 輸入通道，每個(ge) 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(ge) 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(jue) 方案，性能更為(wei) 出色。最後，兩(liang) 個(ge) 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(chong) ，以降低總體(ti) 的平均電流。封裝設計使得發射的LED光在不穿透人體(ti) 組織的情況下，很難到達光傳(chuan) 感器。這可以防止出現光串擾，為(wei) 用戶提供最佳調製指數，即使傳(chuan) 感器放置在玻璃或塑料窗口之下。設計光學反射係統時，這個(ge) 特性非常有用。對於(yu) 更適合采用發射測量的應用，ADPD188GG可以繞過內(nei) 部LED，與(yu) 外部連接的LED配合使用。

與(yu) 成熟解決(jue) 方案比較

在開始新光學設計之前，需要先確定目標市場，以及最終產(chan) 品所需的規格，這非常重要。一般來說，相對於(yu) 用於(yu) 體(ti) 育和保健市場的設備，具有醫療級性能的光學係統規格更高。

ADPD107是一種模擬光學前端，適用於(yu) 分立式光學係統。在市麵光學前端中，它被視為(wei) 典範產(chan) 品，憑借出色性能廣泛用於(yu) 多種醫療產(chan) 品中。DataSenseLabs Ltd.具備與(yu) ADPD107相關(guan) 的豐(feng) 富經驗。但是，由於(yu) 全集成式光學模塊在某些用例中具備一定優(you) 勢，所以DataSenseLabs Ltd.開始研究這些模塊並進行比較分析，比較ADPD107與(yu) ADPD188GG集成光學模塊之間的性能。接下來，我們(men) 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(wei) 了實施光學比較，我們(men) 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(nei) 部的光學係統的組成部分。兩(liang) 種係統都由ADI公司的用戶界麵應用wavetool軟件控製。

為(wei) 了實施測試，對配置設置實施優(you) 化，以獲得最高的信號質量。我們(men) 保留了AFE配置，包括將LED脈衝(chong) 、時序和互阻增益保持在特定範圍，令兩(liang) 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(chan) 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(yu) ，集成解決(jue) 方案的光電二極管表麵小於(yu) 分立式解決(jue) 方案的表麵，必須進行補償(chang) 。采用兩(liang) 個(ge) 由3 V電源供電的LED會(hui) 令整體(ti) 功耗增加156 μW，與(yu) 整體(ti) 功耗相比，幾乎可以忽略不計。我們(men) 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(men) 按500 Hz采樣速率進行測量，該值常用於(yu) 具備臨(lin) 床性能的係統。

數據記錄環境與(yu) 常規智能手表或健身跟蹤器所處的環境相同，隻是光學傳(chuan) 感器位於(yu) 手腕上方。由於(yu) 慣用手和非慣用手皮下層的微循環和血管收縮特性稍有不同，所以兩(liang) 個(ge) 光學係統會(hui) 反複記錄兩(liang) 隻手腕的數據。然後仔細分析和比較從(cong) 左右手腕收集的數據集，以避免因為(wei) 放置位置對信號質量產(chan) 生影響。PPG數據集來源於(yu) 11位不同的用戶（受試者），這些用戶都保持坐姿，處於(yu) 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(wei) 信號質量驗證不止意味著要進行硬科學信號處理、數據分析和統計，還要分析市場和最終用戶的期望要求。要在可穿戴市場獲得成功，您需要采用定義(yi) 明確的案例，並且清楚知道通過光學信號想要獲得什麽(me) 樣的結果。

光學心率監測器與(yu) 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(yu) 醫療級係統的使用案例。在健身、衛生信息學或與(yu) 醫療相關(guan) 的使用案例中，峰值檢測算法的精度主要取決(jue) 於(yu) 原始數據質量，與(yu) PPG信號的局部極大值相關(guan) 。準確的峰值檢測不僅(jin) 是實施心率或HRV測量的原則，在實施基於(yu) PPG血壓的估算檢測時也極為(wei) 重要。所以，如果最終提取和計算的PPG信號要用於(yu) 支持健康類應用，那麽(me) 設計人員必須選擇提供最佳物理信號質量的傳(chuan) 感器平台。比較測量配置和數據分析基於(yu) János Pálhalmi的生物信號計量專(zhuan) 利（待決(jue) ID：P1900302）設計和施行。1

最終結果 

為(wei) 了支持峰值檢測算法，可以輕鬆提取和過濾PPG原始數據中的基線波動。同時，如上所述，要提取目標結果，需要峰值在原始數據級別也具備高信號質量。因此，本文重點關(guan) 注主要頻段比較分析，目標是由典範產(chan) 品ADPD107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(

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(ti) 平均值用紅線表示。上圖顯示了由ADPD188GG和ADPD107分立式解決(jue) 方案記錄的PPG信號之間的相似性。

計算子波相幹性和相關(guan) 比較，以比較最主要頻率範圍內(nei) 兩(liang) 個(ge) 信號之間的穩定性。圖3顯示，兩(liang) 種PPG係統在單個(ge) 波形及其平均值上的結果模式幾乎相同。

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

基於(yu) 綜合相關(guan) 測試，我們(men) 可以得出結論：兩(liang) 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(ge) 波形級別，還是單個(ge) 波形與(yu) 平均值的比較級別。

子波方法對特定頻段內(nei) 的差異非常敏感。因此，我們(men) 計算了子波相幹性函數，以比較兩(liang) 種PPG信號。基於(yu) 所有11位受試者的分析結果，兩(liang) 個(ge) 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(liang) 個(ge) 接受比較的PPG信號的總體(ti) 平均值之間的幅度方波相幹性由時間域和頻率域中的顏色強度圖表示。箭頭方向與(yu) 信號之間的相位差成正比。方向向右的水平信號表示信號之間不存在相位差。1

開發新產(chan) 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(yu) 優(you) 化產(chan) 品規格。

在本測試中，在所有相關(guan) 頻率範圍內(nei) ，對接受比較的兩(liang) 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(ge) 頻譜被分為(wei) 6個(ge) 特定的頻率範圍，以分析各信號之間的相似性差異。

對於(yu) 所有11位受試者，在PPG信號峰值周圍的所有頻段內(nei) ，其相幹性值都高於(yu) 0.95，這表示，典範產(chan) 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(ge) 相關(guan) 頻率範圍（0 Hz至20 Hz）內(nei) 顯示。1

結論

ADPD188GG是ADI公司一款全集成式光學模塊，用於(yu) 測量心率、心率變異性和氧飽和度，並監測連續的血壓估算。由於(yu) 該模塊將光學和電子器件都集成在微型封裝內(nei) ，所以可以幫助缺乏光學知識的設計人員和公司縮短總設計周期。該模塊針對采用反射測量方法，且波長為(wei) 525 nm的應用實施優(you) 化；但是，外部LED也可用於(yu) 在不同波長下測量，或基於(yu) 發射原理測量。我們(men) 已經證明，集成係統不妨礙我們(men) 滿足院外係統或臨(lin) 床係統中各個(ge) 使用案例需要的規格。