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Optical Integration Without Compromises 作者：János Pálhalmi博士，DataSenseLabs Ltd.首席執(zhí)行官 Jan-Hein Broeders，ADI公司業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理 光電容積脈搏波(PPG)是測(cè)量血氧飽和度(SPO2)水平的常用技術(shù)。使用光發(fā)射器向人體發(fā)射光，然后使用光接收器測(cè)量反射或未吸收的光的數(shù)量。根據(jù)兩段波長(zhǎng)的比值，可以測(cè)量氧合血紅蛋白的數(shù)量。類(lèi)似技術(shù)也被用于測(cè)量心率（結(jié)合光學(xué)技術(shù)）或心率變異性。 所有這些系統(tǒng)都需要使用一個(gè)或多個(gè)光發(fā)射器（需要控制），以及一個(gè)光電探測(cè)器來(lái)測(cè)量光電流量，由此測(cè)量接收到的光量。這個(gè)接收信號(hào)最終需要放大、調(diào)節(jié)，并數(shù)字化。聽(tīng)起來(lái)這種光學(xué)系統(tǒng)似乎非常簡(jiǎn)單；但是，在缺少光學(xué)知識(shí)的情況下，很容易檢索到與用戶(hù)尋找的信號(hào)毫不相關(guān)的光學(xué)信號(hào)。 為了幫助公司達(dá)成光學(xué)目標(biāo)，我們新推出了一款全集成式光學(xué)模塊。該模塊經(jīng)過(guò)測(cè)試并與成熟的分立式光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果相當(dāng)出色。我們將詳細(xì)介紹本次測(cè)試的結(jié)果和所用方法。 PPG測(cè)量理論和介紹 隨著對(duì)家庭健康、保健和預(yù)防的關(guān)注提高，圍繞智能設(shè)備形成了一個(gè)新的市場(chǎng)，用于跟蹤多項(xiàng)生命體征參數(shù)。首先是胸帶，該設(shè)備使用生物電勢(shì)技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)心率，但最近的5到8年，市場(chǎng)普遍轉(zhuǎn)向光學(xué)系統(tǒng)，開(kāi)始利用光電容積脈搏波(PPG)。這項(xiàng)技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)是我們可以在人體上取一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，而生物電勢(shì)系統(tǒng)最少需要使用兩個(gè)電極才能對(duì)心臟實(shí)施測(cè)量。對(duì)用戶(hù)而言，這不是很方便，因此，對(duì)光學(xué)心率監(jiān)測(cè)(HRM)和心率變異性(HRV)監(jiān)測(cè)的關(guān)注急劇增加。 在設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)之前，需要先搞清楚幾個(gè)問(wèn)題。最終應(yīng)用是什么？您想要在人體的哪個(gè)部位實(shí)施測(cè)量？您有多少時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)？根據(jù)這些問(wèn)題的答案，設(shè)計(jì)人員可能采用不同的設(shè)計(jì)路徑。 測(cè)量PPG采用兩種不同的原則。您可以讓光通過(guò)身體的某個(gè)部位，例如手指或耳垂，然后在反面測(cè)量接收到或未吸收的光量；或者，在身體的同一側(cè)發(fā)射光并測(cè)量反射的光量。與反射系統(tǒng)相比，測(cè)量通過(guò)人體的光量得出的信號(hào)量大約多出40 dB至60 dB；但是，采用反射系統(tǒng)時(shí)，您可以隨意選擇放置傳感器的位置。 
圖1.光學(xué)HRM/HRV系統(tǒng)的典型框圖 由于大部分用戶(hù)更重視傳感器舒適度，而不是性能，所以反射測(cè)量方法更受歡迎。所以，本文只介紹反射測(cè)量技術(shù)。 心臟跳動(dòng)期間，心臟系統(tǒng)中的血流量發(fā)生變化，導(dǎo)致接收到的反射光發(fā)生散射。用于測(cè)量光學(xué)HRM/HRV的光源的波長(zhǎng)不止取決于人體測(cè)量點(diǎn)，還取決于相對(duì)灌注水平，以及組織的溫度和色調(diào)。一般，對(duì)于腕戴式設(shè)備，動(dòng)脈不位于手腕頂端，您需要從皮膚表層下的靜脈和毛細(xì)血管來(lái)檢測(cè)脈動(dòng)分量。在這種情況下，綠色光表示最佳結(jié)果。在有足夠血液流動(dòng)的位置，例如上臂、太陽(yáng)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(qiáng)勁的接收信號(hào)。 ADPD188 游戲規(guī)則正在改變？ 在權(quán)衡考慮時(shí)，如傳感器位置和LED波長(zhǎng)，您需要選擇最合適的光學(xué)解決方案。關(guān)于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(cè)器和LED可供選擇。關(guān)鍵在于發(fā)射器和接收器的放置方式有利于每毫安發(fā)射電流獲取最大量的接收信號(hào)。這就是所謂的電流傳輸比，通常用nA/mA表示。在光學(xué)系統(tǒng)中，調(diào)制指數(shù)同樣重要，它是交流信號(hào)相對(duì)于光學(xué)直流偏置的量。增大光傳感器和LED之間的距離時(shí)，調(diào)制指數(shù)增大。在光電探測(cè)器和LED之間存在一個(gè)最佳點(diǎn)，這也取決于LED波長(zhǎng)。在設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)臋C(jī)械系統(tǒng)中，LED光可以不穿透人體組織，直接到達(dá)光傳感器。這會(huì)導(dǎo)致直流偏置，對(duì)調(diào)制指數(shù)產(chǎn)生不利影響。它表現(xiàn)為光串?dāng)_，也稱(chēng)為內(nèi)部光污染(ILP)。 為最大程度減輕設(shè)計(jì)工作量并縮短上市時(shí)間，特別是對(duì)于缺乏光學(xué)知識(shí)的公司，ADI公司構(gòu)建了全集成式光學(xué)子系統(tǒng)，用于反射測(cè)量。即ADPD188GG，內(nèi)含進(jìn)行光學(xué)測(cè)量所需的全部器件。圖2所示為此模塊的照片。
圖2.ADPD188GG光學(xué)子系統(tǒng) ADPD188GG是一種全新設(shè)計(jì)的光學(xué)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(dòng)最大的部分是光電探測(cè)器，與前代產(chǎn)品相比，方向旋轉(zhuǎn)了90°。相對(duì)于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。這提供了靈活性，可以增加整體光二極管表面，以實(shí)現(xiàn)更高靈敏度，或者可以使用更小巧的檢測(cè)器來(lái)防止傳感器達(dá)到飽和。光電二極管被放置在模擬前端上面。ADI正在使用獨(dú)立的ADPD1080AFE。它有4個(gè)輸入通道，每個(gè)通道都圍繞具備可選增益（25k、50k、100k和200k）的互阻放大器、環(huán)境光抑制塊和一個(gè)14位SAR ADC設(shè)計(jì)。環(huán)境光抑制在模擬域完成，相比市面上的其他解決方案，性能更為出色。最后，兩個(gè)綠色LED受集成電流源管控，能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)370 mA的電流和1 μs窄脈沖，以降低總體的平均電流。封裝設(shè)計(jì)使得發(fā)射的LED光在不穿透人體組織的情況下，很難到達(dá)光傳感器。這可以防止出現(xiàn)光串?dāng)_，為用戶(hù)提供最佳調(diào)制指數(shù)，即使傳感器放置在玻璃或塑料窗口之下。設(shè)計(jì)光學(xué)反射系統(tǒng)時(shí)，這個(gè)特性非常有用。對(duì)于更適合采用發(fā)射測(cè)量的應(yīng)用，ADPD188GG可以繞過(guò)內(nèi)部LED，與外部連接的LED配合使用。 與成熟解決方案比較 在開(kāi)始新光學(xué)設(shè)計(jì)之前，需要先確定目標(biāo)市場(chǎng)，以及最終產(chǎn)品所需的規(guī)格，這非常重要。一般來(lái)說(shuō)，相對(duì)于用于體育和保健市場(chǎng)的設(shè)備，具有醫(yī)療級(jí)性能的光學(xué)系統(tǒng)規(guī)格更高。 ADPD107是一種模擬光學(xué)前端，適用于分立式光學(xué)系統(tǒng)。在市面光學(xué)前端中，它被視為典范產(chǎn)品，憑借出色性能廣泛用于多種醫(yī)療產(chǎn)品中。DataSenseLabs Ltd.具備與ADPD107相關(guān)的豐富經(jīng)驗(yàn)。但是，由于全集成式光學(xué)模塊在某些用例中具備一定優(yōu)勢(shì)，所以DataSenseLabs Ltd.開(kāi)始研究這些模塊并進(jìn)行比較分析，比較ADPD107與ADPD188GG集成光學(xué)模塊之間的性能。接下來(lái)，我們將詳細(xì)介紹測(cè)試設(shè)置、配置和測(cè)試結(jié)果。 測(cè)試設(shè)置和數(shù)據(jù)收集 為了實(shí)施光學(xué)比較，我們?cè)?分鐘時(shí)間里，同時(shí)記錄ADPD188GG和ADPD107的原始PPG讀數(shù)。設(shè)置ADPD188GG時(shí)，使用了標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估板，而ADPD107是可穿戴演示平臺(tái)(EVAL-HCRWATCH)內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)的組成部分。兩種系統(tǒng)都由ADI公司的用戶(hù)界面應(yīng)用wavetool軟件控制。 為了實(shí)施測(cè)試，對(duì)配置設(shè)置實(shí)施優(yōu)化，以獲得最高的信號(hào)質(zhì)量。我們保留了AFE配置，包括將LED脈沖、時(shí)序和互阻增益保持在特定范圍，令兩種系統(tǒng)保持相同的功耗，以進(jìn)行公平的比較（參見(jiàn)表1）。 表1.ADPD188GG和典范產(chǎn)品ADPD107之間的光學(xué)模塊比較
表1顯示ADPD188GG LED電流，其數(shù)量高達(dá)ADPD107設(shè)置中LED電流的2倍。原因在于，集成解決方案的光電二極管表面小于分立式解決方案的表面，必須進(jìn)行補(bǔ)償。采用兩個(gè)由3 V電源供電的LED會(huì)令整體功耗增加156 μW，與整體功耗相比，幾乎可以忽略不計(jì)。我們按100 Hz速率對(duì)ADC采樣，這在可穿戴系統(tǒng)中非常常見(jiàn)。此外，我們按500 Hz采樣速率進(jìn)行測(cè)量，該值常用于具備臨床性能的系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)記錄環(huán)境與常規(guī)智能手表或健身跟蹤器所處的環(huán)境相同，只是光學(xué)傳感器位于手腕上方。由于慣用手和非慣用手皮下層的微循環(huán)和血管收縮特性稍有不同，所以?xún)蓚�(gè)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)反復(fù)記錄兩只手腕的數(shù)據(jù)。然后仔細(xì)分析和比較從左右手腕收集的數(shù)據(jù)集，以避免因?yàn)榉胖梦恢脤?duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生影響。PPG數(shù)據(jù)集來(lái)源于11位不同的用戶(hù)（受試者），這些用戶(hù)都保持坐姿，處于相同的環(huán)境光密度條件下。 數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì) 采用比較方法非常重要，因?yàn)樾盘?hào)質(zhì)量驗(yàn)證不止意味著要進(jìn)行硬科學(xué)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)，還要分析市場(chǎng)和最終用戶(hù)的期望要求。要在可穿戴市場(chǎng)獲得成功，您需要采用定義明確的案例，并且清楚知道通過(guò)光學(xué)信號(hào)想要獲得什么樣的結(jié)果。 光學(xué)心率監(jiān)測(cè)器與健身跟蹤和健康狀況監(jiān)測(cè)應(yīng)用密切相連，但也有許多將光學(xué)技術(shù)用于醫(yī)療級(jí)系統(tǒng)的使用案例。在健身、衛(wèi)生信息學(xué)或與醫(yī)療相關(guān)的使用案例中，峰值檢測(cè)算法的精度主要取決于原始數(shù)據(jù)質(zhì)量，與PPG信號(hào)的局部極大值相關(guān)。準(zhǔn)確的峰值檢測(cè)不僅是實(shí)施心率或HRV測(cè)量的原則，在實(shí)施基于PPG血壓的估算檢測(cè)時(shí)也極為重要。所以，如果最終提取和計(jì)算的PPG信號(hào)要用于支持健康類(lèi)應(yīng)用，那么設(shè)計(jì)人員必須選擇提供最佳物理信號(hào)質(zhì)量的傳感器平臺(tái)。比較測(cè)量配置和數(shù)據(jù)分析基于János Pálhalmi的生物信號(hào)計(jì)量專(zhuān)利（待決ID：P1900302）設(shè)計(jì)和施行。1 最終結(jié)果 為了支持峰值檢測(cè)算法，可以輕松提取和過(guò)濾PPG原始數(shù)據(jù)中的基線波動(dòng)。同時(shí)，如上所述，要提取目標(biāo)結(jié)果，需要峰值在原始數(shù)據(jù)級(jí)別也具備高信號(hào)質(zhì)量。因此，本文重點(diǎn)關(guān)注主要頻段比較分析，目標(biāo)是由典范產(chǎn)品ADPD107和新集成的ADPD188GG光學(xué)模塊測(cè)量的PPG信號(hào)峰值。信號(hào)的主要部分未改動(dòng)，但非常緩慢的基線波動(dòng)(<0.25 Hz)和高頻分量(>40 Hz)已過(guò)濾。
圖3.提取單獨(dú)的PPG波形（局部極大值周?chē)摹?25數(shù)據(jù)點(diǎn)），并彼此重疊比較（藍(lán)色點(diǎn)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(hào)之間的相似性。 計(jì)算子波相干性和相關(guān)比較，以比較最主要頻率范圍內(nèi)兩個(gè)信號(hào)之間的穩(wěn)定性。圖3顯示，兩種PPG系統(tǒng)在單個(gè)波形及其平均值上的結(jié)果模式幾乎相同。 為了繼續(xù)在更深層次的數(shù)據(jù)水平上比較，我們采用了兩種不同的基于相關(guān)性的方法。計(jì)算每個(gè)即將推出的PPG波形之間的相關(guān)系數(shù)和P值（R、P）。還可以通過(guò)比較每個(gè)單獨(dú)的PPG波形與平均值來(lái)測(cè)試另一種信號(hào)差異。 基于綜合相關(guān)測(cè)試，我們可以得出結(jié)論：兩種接受比較的PPG系統(tǒng)之間不可能出現(xiàn)巨大差異，不論是在單個(gè)波形級(jí)別，還是單個(gè)波形與平均值的比較級(jí)別。 子波方法對(duì)特定頻段內(nèi)的差異非常敏感。因此，我們計(jì)算了子波相干性函數(shù)，以比較兩種PPG信號(hào)�；谒�11位受試者的分析結(jié)果，兩個(gè)信號(hào)的頻率域或相位域之間不存在明顯差別（參見(jiàn)圖4）。
圖4.兩個(gè)接受比較的PPG信號(hào)的總體平均值之間的幅度方波相干性由時(shí)間域和頻率域中的顏色強(qiáng)度圖表示。箭頭方向與信號(hào)之間的相位差成正比。方向向右的水平信號(hào)表示信號(hào)之間不存在相位差。1 開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，查看特定的頻段也可能有用，這些頻段提取自給定信號(hào)，可用于優(yōu)化產(chǎn)品規(guī)格。 在本測(cè)試中，在所有相關(guān)頻率范圍內(nèi)，對(duì)接受比較的兩種PPG系統(tǒng)之間的幅度方波相干性的基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行分析，如圖5所示。整個(gè)頻譜被分為6個(gè)特定的頻率范圍，以分析各信號(hào)之間的相似性差異。 對(duì)于所有11位受試者，在PPG信號(hào)峰值周?chē)乃蓄l段內(nèi)，其相干性值都高于0.95，這表示，典范產(chǎn)品和新集成的ADPD188GG之間相似度非常高。
圖5.幅度方波子波相干性值的描述性統(tǒng)計(jì)特性在4個(gè)相關(guān)頻率范圍（0 Hz至20 Hz）內(nèi)顯示。1 結(jié)論 ADPD188GG是ADI公司一款全集成式光學(xué)模塊，用于測(cè)量心率、心率變異性和氧飽和度，并監(jiān)測(cè)連續(xù)的血壓估算。由于該模塊將光學(xué)和電子器件都集成在微型封裝內(nèi)，所以可以幫助缺乏光學(xué)知識(shí)的設(shè)計(jì)人員和公司縮短總設(shè)計(jì)周期。該模塊針對(duì)采用反射測(cè)量方法，且波長(zhǎng)為525 nm的應(yīng)用實(shí)施優(yōu)化；但是，外部LED也可用于在不同波長(zhǎng)下測(cè)量，或基于發(fā)射原理測(cè)量。我們已經(jīng)證明，集成系統(tǒng)不妨礙我們滿(mǎn)足院外系統(tǒng)或臨床系統(tǒng)中各個(gè)使用案例需要的規(guī)格。 有關(guān)更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)analog.com/healthcare。 參考資料 1 János Pálhalmi。生物信號(hào)計(jì)量專(zhuān)利，P1900302。 作者簡(jiǎn)介 DataSenseLabs Ltd.的János Pálhalmi博士是一名神經(jīng)科學(xué)家、計(jì)量學(xué)家，擁有健康科學(xué)學(xué)位。作為一名編程人員，他專(zhuān)注于生物信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析。János在電生理學(xué)和光學(xué)生物傳感器信號(hào)分析方面擁有20多年的經(jīng)驗(yàn)，涉及分子和細(xì)胞水平分析以及人類(lèi)健康相關(guān)應(yīng)用。 從2017年底開(kāi)始，他和他的公司DataSenseLabs Ltd. (datasenselabs.net)一直與ADI公司的醫(yī)療健康業(yè)務(wù)部門(mén)在可穿戴生物信號(hào)評(píng)估和分類(lèi)領(lǐng)域展開(kāi)合作。他的目標(biāo)是幫助合作伙伴在健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中找到適合預(yù)防預(yù)測(cè)的高質(zhì)量解決方案。 Jan-Hein Broeders是ADI公司負(fù)責(zé)歐洲、中東和非洲市場(chǎng)醫(yī)療健康業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)經(jīng)理。他與醫(yī)療健康行業(yè)密切合作，將他們現(xiàn)在和將來(lái)的需求轉(zhuǎn)化為各種解決方案，這些方案基于ADI公司市場(chǎng)領(lǐng)先的線性和轉(zhuǎn)換器技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理與電源產(chǎn)品。20多年前，Jan-Hein開(kāi)始從事半導(dǎo)體行業(yè)，擔(dān)任ADI公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，自2008年起開(kāi)始擔(dān)任目前的醫(yī)療健康部門(mén)職務(wù)。他擁有荷蘭斯海爾托亨博斯大學(xué)的電氣工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：jan.broeders@analog.com。 |
