设计使用更方便、功耗更低的医疗设备比以往任何时候都更重要。本文讨论了一种更有效的脉搏血氧计的设计和实现。

在首件在这个由两部分组成的系列中，我们介绍了脉搏血氧计的技术规格。在本文中，我们将介绍设计考虑因素，如透射与反射、传感器定位、灌注指数、运动伪影以及光学AFE设计的细节。

透射与反射

可以使用透射或反射LED和PD配置来获得PPG信号。透射配置测量通过身体一部分的未吸收光。这种配置最适合手指和耳垂等部位，因为这些部位的毛细血管密度有利于测量，从而使测量更稳定、重复性更强，且对位置变化不太敏感。透射配置实现了40dB到60dB的灌注指数增加。

当PD和LED必须相邻放置以实现实用性时，如手腕或胸部佩戴设备时，可选择反射式PPG配置。


图1。LED-PD配置。（来源：模拟设备）

传感器定位和灌注指数

由于静态反射组件（如皮肤、脂肪和骨骼）下方的动脉深度大大增加了DC信号，因此手腕和胸部的定位需要PPG AFE中更大的动态范围。

PPG测量的更高分辨率将降低SpO的不确定性2.算法。手腕佩戴SpO的典型PI为1%至2%2.脉搏血氧计设计的目标是通过机械设计增加PI或增加动态范围。

LED到PD的间距将对PI产生主要影响。太小的间距将增加LED到PD的串扰或反向散射。这将显示为DC信号并使AFE饱和。

增加该间距减少了反向散射和串扰的影响，但也降低了电流互感器比率（CTR），即LED输出与PD返回电流的比率。这将影响PPG系统的效率，并需要更大的LED功率以最大化AFE动态范围。

快速脉动一个或多个LED具有减少1/f噪声对整体信号的贡献的益处。使LED脉冲化还使得在接收侧使用同步调制以抵消环境光干扰成为可能。对多个脉冲进行积分可增加PD信号幅度并降低平均电流消耗。随着更多的反射光被捕获，增加总PD面积也会增加CTR。

对于心率PPG测量，许多HR设备制造商采用了单个大PD和多个节能绿色LED的组合，用于血流受限的地方。选择绿色LED是因为其对运动伪影的高抑制。然而，这是以电力为代价的。绿色LED具有比红色和IR更高的正向电压，并且在人体组织中具有高吸收率，这意味着需要更高的LED功率来返回有意义的心脏信息。

作为SpO2.需要多种波长，大多数系统仍然为HR PPG配备高效绿色LED，这是HR和SpO最常见的配置2.PPG系统是由多个PD包围的单个绿色、红色和红外LED阵列，如图2中ADI VSM手表所示。PD到LED的间距已被优化以减少反向散射，挡板设计减少了LED到PD的串扰。


图2:ADI VSM手表V4、挡板和LED DP阵列。（来源：模拟设备）

ADI VSM手表的多个原型进行了试验，以验证我们的HR PPG和SpO的最有效PD到LED间距2.测量

运动伪影

运动伪影为PPG测量系统提供了最大的设计挑战之一。当有运动时，动脉和静脉的宽度会因压力而改变。光电二极管吸收的光量会发生变化，这会出现在PPG信号上，因为光子的吸收或反射与身体静止时不同。

对于覆盖无限长深组织样本的无限宽光电二极管区域，所有光子最终将被反射到光电二极管。在这种情况下，不会检测到由于运动引起的伪影。然而，这是无法实现的；解决方案是增加光电二极管面积，同时考虑到降低AFE和为运动伪影提供滤波的电容。

PPG信号的正常频率在0.5Hz至5Hz之间，而运动伪影通常在0.01Hz至10Hz之间。简单的带通滤波技术不能用于从PPG信号中去除运动伪影。为了实现高精度运动消除，需要向自适应滤波器提供高精度运动数据。为此，Analog Devices开发了ADXL362型3轴加速计。该加速计提供1米克分辨率高达8克在100Hz下仅消耗3.6μ。

光学AFE

脉搏血氧计的定位产生了几个挑战。手腕磨损SpO2.设备提供了额外的设计挑战，因为感兴趣的AC信号仅占PD上接收到的总光的1%至2%。为了实现医学级认证并区分氧血红蛋白水平的轻微变化，需要更高的AC信号动态范围。这可以通过减少环境光干扰和减少LED驱动器和AFE噪声来实现。

增加动态范围对于测量SpO至关重要2.在低灌注情况下，以及像Analog Devices这样的下一代光学AFEADPD4100型（和ADPD4101型)达到100 dB SNR。该集成光学AFE具有八个板载低噪声电流源和八个单独的PD输入。数字时序控制器具有12个可编程时序槽，使用户能够定义具有特定LED电流、模拟和数字滤波、集成选项和时序约束的PD和LED序列阵列。

增加SNR/μW是电池供电连续监测的一个重要参数。通过增加AFE动态范围同时降低AFE电流消耗，解决了这一关键指标。例如，对于75 dB、25 Hz的连续PPG测量（包括LED电源），ADPD4100的总功耗仅为30μW。增加每个样本的脉冲数（n）将导致SNR增加（√n），而增加LED驱动电流将使SNR成比例增加。使用4 V LED电源，1μW的总系统消耗将为连续PPG测量返回93 dB SNR。

自动环境光抑制降低了主机微处理器的负担，同时实现了60dB的光抑制。这是通过使用快至1μs的LED脉冲以及带通滤波器来抑制干扰来实现的。在某些操作模式下，ADPD4100自动计算光电二极管暗电流或LED关闭状态。该结果在ADC中转换之前从LED开启状态中减去，以去除环境光以及光电二极管内的增益误差和漂移。

使用特定于应用程序的开发工具进一步简化了设计。例如，ADPD4100支持评估日期4100-4101可穿戴评估套件和ADI生命体征监测研究观察该硬件无缝连接到ADI Wavetool应用程序，以实现SpO的生物阻抗、心电图、PPG心率和多波长PPG测量2.发展研究表中嵌入了自动增益控制（AGC）算法，该算法可调节TIA增益和LED电流，从而为选定的所有LED波长提供最佳交流信号动态范围。

基于手指和耳垂的SpO2.读数是最容易设计的，因为由于骨骼和组织的减少，信噪比高于基于手腕或胸部的定位，这也减少了DC分量的贡献。

对于此类应用，光学传感器模块如adpd144里和光度学前端，如ADPD1080型使开发人员能够快速跳过与LED和PD放置和间距相关的设计挑战，以实现最佳的功率噪声比。这是可能的，因为光学传感器具有集成的红色660 nm LED、880 nm IR LED和四个PD，封装尺寸为2.8 mm×5 mm。LED和PD之间的间距已优化，以提供SpO的最佳信噪比2.高精度PPG测量。该设备还进行了机械优化，以尽可能减少光学串扰，即使传感器放置在单个玻璃窗下。

ADPD1080是一款集成光学AFE，具有三个LED驱动通道和两个PD电流输入通道，位于一个17球、2.5 mm×1.4 mm WLLCSP中。该AFE适用于定制设计的低通道数PPG产品，其中电路板空间至关重要。

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图3。ADPD410X框图。（来源：模拟设备）

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图4。ADPD4100同时进行红色（右）和红外（左）PPG测量。（来源：模拟设备）

工具书类

  1. 田村俊佑。“光体积描记术和SpO2的研究进展 健康监测.”生物医学工程信函，2019年2月。
  2. 李志永、松村健太、山口健一、彼得·罗尔夫、田中真武和山口武弘。“红绿色和蓝色的比较 用于运动期间心率监测的光反射光电体积描记术.”2013 3第五IEEE医学和生物学工程学会（EMBC）国际年会，2013年7月。
罗伯特·芬纳蒂是一名系统应用工程师模拟设备他在爱尔兰利默里克的数字医疗集团工作。他与生命体征监测小组密切合作，专注于光学和阻抗测量解决方案。Rob于2012年加入ADI的精密转换器组，专注于低带宽精密测量。他拥有爱尔兰戈尔韦国立大学（NUIG）电子和电气工程学士学位。可以在rob.finnerty@analog.com.