自從十年前第一臺計(jì)步器出現(xiàn)在市場以來，情況已有很大的改變。最初，其測量只著重于步伐數(shù)量的計(jì)算。經(jīng)過十年來的研究結(jié)論是，大約每天行走1萬步即可每日達(dá)到卡路里攝入量與卡路里燃燒量之間的良好平衡。同時，更多的功能和特點(diǎn)陸續(xù)續(xù)地被加入可穿戴設(shè)備中，如測量心率、心率變異性、體溫和皮膚電導(dǎo)值等。

可穿戴設(shè)備最初原本是針對運(yùn)動和健身的目的而出現(xiàn)，而今已逐漸轉(zhuǎn)移至更偏向醫(yī)療的領(lǐng)域。隨著這一趨勢轉(zhuǎn)變，我們將更加依賴于測量的準(zhǔn)確度和電池的壽命。設(shè)備在每一次電池充電后所能持續(xù)運(yùn)行的時間越長，就越容易得到消費(fèi)者的接受。

本文將介紹專為穿戴式保健設(shè)備推出的新一代組件，并提供一些如何讓產(chǎn)品系統(tǒng)更可靠和省電的設(shè)計(jì)技巧與提示。

心率測量PPG

當(dāng)談到有關(guān)于健康的話題時，無庸置疑地，身體最重要的器官之一就是心臟。它可以被視為人類系統(tǒng)的引擎，如果沒有狀況良好的心臟，我們就可能會面對嚴(yán)重的健康問題。因此，監(jiān)測心臟功能是關(guān)鍵的優(yōu)先要務(wù)。

有很多原因讓我們必須檢查心率以確保高于每分鐘的心跳。此外，以活動作用頻率的觀點(diǎn)而言，從心臟的行為中可以得到大量的額外信息。當(dāng)身體需要較多的活動時，心率就會上升以便為細(xì)胞帶來更多的營養(yǎng)和血氧含量。但連續(xù)性的高心率并不是好事，而快速的心率變化也同樣不好，因?yàn)樗赡苁切呐K疾病的指標(biāo)，如心房顫動(atrial fibrillation) 。

除了監(jiān)測心跳的頻率，還有另一項(xiàng)稱為心率變異(HRV)的重要參數(shù)。當(dāng)我們處于放松狀態(tài)時，心臟并不會每分鐘都以固定的節(jié)拍跳動，而應(yīng)該可以觀察到心率的微幅變化，其變動范圍大約在每分鐘±3次。這種變化是放松的一項(xiàng)指標(biāo)。而當(dāng)我們感到壓力或產(chǎn)生驚訝的反應(yīng)時，體內(nèi)的腎上腺素上升，心臟開始以單一的頻率跳動。因此，HRV參數(shù)是一項(xiàng)重要的監(jiān)測指標(biāo)。

取得心臟信號最常見的方法是透過生物電位測量與心電圖(ECG)；然而，要將此技術(shù)整合在可穿戴設(shè)備中并不容易。

除了生物電位，測量心率的一種新趨勢是利用光學(xué)原理。這種技術(shù)已經(jīng)存在一段時間了，通常被稱為光體積變化描記圖技術(shù)(Photoplethysmography；PPG)。PPG技術(shù)主要用于測量血氧濃度(SPO2)的系統(tǒng)中。在量測SPO2時，通常經(jīng)由人體特定部位(通常是手指或耳垂)發(fā)送出兩種波長的光線，藉此測量到氧合血紅蛋白(oxygenated hemoglobin)量相對于血紅蛋白(hemoglobin)總量的百分比值。由于這種技術(shù)還可以測量心率，因此通常被用在穿戴式系統(tǒng)中，例如小型的腕戴式設(shè)備。而且，不同于生物電位測量的是，這類技術(shù)可以只使用單一測試點(diǎn)來測量心率。例如ADI推出的ADPD174組件，就是一款專為這類應(yīng)用而設(shè)計(jì)的光學(xué)子系統(tǒng)(圖1)。

圖1：在單一6.5mm×2.8mm封裝中的光學(xué)子系統(tǒng)——ADPD174，瞄準(zhǔn)可穿戴醫(yī)療設(shè)備而設(shè)計(jì)

反射與傳輸

大多數(shù)人都很熟悉SPO2的測量，其方式通常是藉由夾在耳垂或手指夾上的設(shè)備來進(jìn)行。光線會穿透過身體的一部份，而在另一端則透過光電二極管測量接收到的信號。利用此傳送技術(shù)，我們可測量到可被接收或無法被吸收的光量。就信號性能與傳送功耗量而言，這種原理是最好的。然而，對于講求舒適性的可穿戴系統(tǒng)而言，傳輸測量的整合并非容易的事。因此，反射式量測相對上較普遍受到采用。在反射式光學(xué)系統(tǒng)中，光線被發(fā)送到組織的表面，其中一部份被紅血細(xì)胞所吸收，剩余的光則被反射回組織表面，并由一個光傳感器加以測量。在反射式系統(tǒng)中，接收信號相對較微弱達(dá)60dB，因此我們必須從電氣和光學(xué)的角度，更小心仔細(xì)地觀察發(fā)射和接收信號鏈。

電子和機(jī)械挑戰(zhàn)

在一次心跳期間，血液的流動與血量持續(xù)發(fā)生變化，因而造成接收到的反射光量發(fā)生散射現(xiàn)象。用于測量PPG信號的光線，其波長會受到一些因素影響而有所改變——其中第一個因素就是測量的類型。在本文中，我們將僅局限于心率及其相關(guān)變化的測量。對于這類型的測量，所需采用的波長不只取決于所要量測的身體位置，同時也須考慮到相對灌注位準(zhǔn)(relative perfusion level)、組織的溫度以及組織的色調(diào)等。

一般來說，對于腕戴設(shè)備而言，由于動脈并不是位于手腕的上方，因此必需從皮膚表面下方的靜脈和毛細(xì)血管來拾取脈動組成。在這類應(yīng)用中，綠光能提供最好的接收。在我們身體上有足夠血液流動的地方，如上臂、太陽穴或耳道等，紅光或紅外線效果較佳，因?yàn)樗苌顚哟┩附M織——尤其是對于電池功率和尺寸始終是一個重要課題的可穿戴應(yīng)用來說，紅光或IT LED可帶來更多的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檫@些光源組件需要的順向偏壓較低，而在使用鈕扣型電池的應(yīng)用中，這些LED可以直接由電池電壓來驅(qū)動。

圖2：各種LED所需的順向偏壓vs.LED電流

遺憾的是，綠光LED由于需要較高的順向偏壓，因而必須采用額外的升壓轉(zhuǎn)換器，但這對于系統(tǒng)的整體耗電流也帶來負(fù)面的影響。圖2顯示不同色彩的LED相對于電流所需的順向電壓。如果終究還是需要使用綠光LED，ADP2503降壓/升壓轉(zhuǎn)換器能在最低至2.3V的輸入電壓時，支持較高的LED順向電壓達(dá)5.5V(max)。

當(dāng)我們權(quán)衡傳感器位置與LED顏色等條件后，下一步就是要選擇最適合的光學(xué)解決方案。以模擬前端來說，包括分離式建構(gòu)或完全整合的多種選擇，而光傳感器與LED也同樣有多種產(chǎn)品備選。為了將設(shè)計(jì)上的負(fù)擔(dān)降到最低，并縮短開發(fā)上市時間，ADI提供一款完全整合的光學(xué)子系統(tǒng)模塊，可供反射式光學(xué)量測使用。這款產(chǎn)品編號為ADPD174的模塊，內(nèi)含光學(xué)測量所需的所有功能。圖3顯示此子系統(tǒng)模塊的功能方塊圖，此模塊的尺寸大小僅6.5mm x2.8mm，因此對于穿戴式系統(tǒng)而言非常具有吸引力。

此模塊是由一個大型光電二極管、兩個綠色LED以及一個IR LED所組成。內(nèi)建的混合信號ASIC中包含一組模擬信號處理功能模塊、SAR類型ADC、數(shù)字信號處理功能模塊、I2C通訊接口以及三個可自由編程設(shè)定的LED電流源。

此系統(tǒng)驅(qū)動LED發(fā)光，并使用1.2 mm2的光電二極管測量相對應(yīng)的光回波信號。為可穿戴設(shè)備測量其PPG時，最大的挑戰(zhàn)在于克服像環(huán)境光和運(yùn)動產(chǎn)生的人為因素等干擾。環(huán)境光可能大幅影響測量的結(jié)果；而抑制陽光并不難，但來自日光燈和省電燈泡中包含交流(AC)成份的特殊光線，則很難加以取消。

ADPD174光模塊具有兩級的環(huán)境光抑制功能，也就是在光傳感器和輸入放大器階段之后，整合帶通濾波器及其隨后的同步解調(diào)器，從而為環(huán)境光以及從直流(DC)到100 kHz的干擾提供同類產(chǎn)品中最佳的抑制表現(xiàn)。該ADC具有14位的分辨率和高達(dá)255個脈沖值，將其相加后可獲得20位的測量結(jié)果。此外，還可藉由累加多個取樣，以實(shí)現(xiàn)高達(dá)27位的額外分辨率。ADPD174作業(yè)于兩個獨(dú)立的時隙之間——例如，測量兩個獨(dú)立的波長，并順序執(zhí)行結(jié)果。在每個時隙期間，執(zhí)行完整的信號路徑，從LED刺激開始，接著是光信號擷取與數(shù)據(jù)處理。

圖3：ADPD174光學(xué)子系統(tǒng)的功能方塊圖

每個電流源能以高達(dá)250mA的電流驅(qū)動互連的LED，其創(chuàng)新的LED脈沖控制，則可維持較低的平均功耗，并顯著地節(jié)省系統(tǒng)的功耗和延長電池壽命。

這種LED驅(qū)動電路的優(yōu)點(diǎn)在于它是動態(tài)且可實(shí)時擴(kuò)展。有許多因素可能影響接收光信號的信號噪聲比(SNR)，例如膚色或傳感器與皮膚之間的毛發(fā)，都可能影響接收端的靈敏度。因此，LED的激發(fā)可以非常容易地配置，以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)系統(tǒng)。所有的時序(timing)和同步都可由模擬前端進(jìn)行處理，而無需占用系統(tǒng)中微處理器的處理資源。在正常情況下，采用ADPD174能以約1mW級功耗執(zhí)行可靠的心率監(jiān)測。為了找出此工作點(diǎn)，首先可以調(diào)整轉(zhuǎn)阻放大器(TIA)的增益，同時設(shè)置最大LED峰值電流。在優(yōu)化LED電流和TIA增益后，就可以增加LED脈沖的數(shù)量以獲得更多的信號。值得注意的是，增加LED峰值電流，將會等比例地提高SNR；而將脈沖數(shù)量增加n倍，則僅有提高根號n (√n)倍SNR的效果。

要為心率設(shè)備找出最佳設(shè)定，很大程度上也取決于使用者本身。用戶的膚色會對信號的強(qiáng)度以及設(shè)備的定位、溫度和血流量產(chǎn)生影響。為了計(jì)算功耗，可將光學(xué)前端視為兩個單獨(dú)的功耗源，分別是IADPD和ILED。IADPD是輸入放大器級、ADC和數(shù)字狀態(tài)機(jī)的消耗電流。這些功耗數(shù)值非常依賴于ADC的取樣率。LED電流ILED會隨著使用者的膚色和傳感器在身體上的位置而改變。對于較暗的膚色，以及傳感器所在位置的血流量非常少時，就會需要較多的LED電流。LED平均電流會隨著LED驅(qū)動脈沖寬度、脈沖數(shù)和ADC取樣時間而變化。平均LED電流等于LED最大電流乘上脈沖寬度和脈沖數(shù)的結(jié)果。這可被視為一個時隙，而且在每次新取樣時重復(fù)。脈沖寬度可能窄至1μs。

為了在手腕上有效進(jìn)行心率測量，當(dāng)使用兩個具有1μs寬度的脈沖時，需要大約125mA的LED峰值電流。對于100 Hz的取樣頻率而言，平均LED驅(qū)動需要25μA。當(dāng)我們增加250μA的平均AFE電流時，光學(xué)前端的功耗為275μA（@ 3V =825μW）。

其他機(jī)械上的挑戰(zhàn)

前面我們已討論了在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時，挑戰(zhàn)之一在于環(huán)境光干擾。但在反射式光學(xué)系統(tǒng)中，需要克服的另一個大挑戰(zhàn)是內(nèi)部光污染(IPL)。在一款完美設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，來自LED的所有光都會被發(fā)送到組織中，而且只有反射光可被光傳感器偵測到并加以測量。然而在現(xiàn)實(shí)生活中，LED光線會被外殼的透明窗反射，并直接被送回光傳感器，而不至于穿透至組織中，即圖4中以綠色標(biāo)示的光路。

圖4：內(nèi)部光污染的說明

這種ILP效應(yīng)會造成DC偏置，并將限制信號中的AC組成，也就是所謂的調(diào)變指數(shù)(MI)。但事實(shí)上，這一MI才是我們唯一感興趣的信號。此ILP效應(yīng)可以藉由隔離透明窗的方式加以解決，然而這在量產(chǎn)中是非常困難且成本高昂的。ADPD174是克服這一問題的解決方案之一。它具有特殊設(shè)計(jì)的外殼以減低ILP效應(yīng)，而不需要在外殼上隔離透明窗。如圖5所示，ADPD174較其前代產(chǎn)品受ILP效應(yīng)影響程度的改善，可作為LED電流的基準(zhǔn)。這是此組件較市場上其他分離式或整合式組件的另一個好處。

圖5：ADPD174與其前代產(chǎn)品受ILP影響的程度比較

系統(tǒng)總功耗

在光學(xué)系統(tǒng)中，除了光干擾因素之外，也必須消除運(yùn)動的干擾。運(yùn)動對于穿戴系統(tǒng)的整體性能具有影響，因?yàn)樵谶\(yùn)動時，機(jī)械連接或與組織的接觸狀態(tài)可能會改變，從而在光學(xué)讀值上造成誤差。因此，測量設(shè)備的運(yùn)動并針對其干擾進(jìn)行補(bǔ)償至關(guān)重要。ADI的超低功耗三軸ADxL362 MEM傳感器可完全支持這一需求。該傳感器測量所有的三個軸，并擁有一個內(nèi)建的12位SAR ADC，從而使其LSB的大小為1mg，并且能夠透過數(shù)字SPI接口進(jìn)行通訊。其功耗隨ADC取樣率而變化，當(dāng)每軸的數(shù)據(jù)輸出率為100 Hz時，傳感器僅消耗1.8μA。此組件采用3 mm×3 mm封裝，不過，目前正在開發(fā)中的新一代產(chǎn)品，其PCB占位面積將只有ADxL362的四分之一。

尚未談到的系統(tǒng)核心！

截至目前為止，我們已經(jīng)討論打造監(jiān)測心率和心率變化的穿戴式保健設(shè)備時，需要各種不同的傳感器。但我們尚未觸及到系統(tǒng)的核心，也就是將所有的傳感器連接在一起、執(zhí)行所需的算法軟件，以及儲存、可視化或傳送這些測量結(jié)果。ADI最近發(fā)布的ADuCM3027 / ADuCM3029Cortex-M3處理器，就能夠支持這些需求。它是一款超低功耗、混合信號型的微控制器，每MHz處理能力的相對功耗小于38μA。該處理器的最高頻率頻率為26MHz，并具有四種不同的功耗模式(表1)。

表1：ADuCM3027/29的功耗模式

該混合信號前端包括一個12位的SAR ADC、參考緩沖器和溫度傳感器。該組件內(nèi)建128 kB或256 kB的閃存、4 kB高速緩存和64 kB SRAM，并有妥善的措施保護(hù)設(shè)備的內(nèi)容不會被未經(jīng)授權(quán)的用戶透過外部接口讀取。對于保護(hù)其程序代碼和算法的設(shè)備制造商來說，這可說是一項(xiàng)重要的價(jià)值。最后，ADuCM302x可作業(yè)于1.8V到3.6V之間的單電壓范圍，其中的核心電壓為1.2V，可經(jīng)由內(nèi)建的LDO或其更高效能的開關(guān)電容式降壓轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生。

為了將測量結(jié)果無線上傳到主處理器，必須耗費(fèi)大量的總系統(tǒng)功耗。因此，對于測量結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理，將有助于減少所需傳送的數(shù)據(jù)量，進(jìn)而節(jié)省更多功耗。

讓保健設(shè)備具有自學(xué)能力

從前面的討論可看出，ADI專注于開發(fā)傳感器和混合信號解決方案，并特別著重于提高性能和降低功耗。這些芯片和子系統(tǒng)能夠打造針對保健、運(yùn)動以及健身市場的設(shè)備，使其得以只靠單顆鈕扣電池即達(dá)到很長的作業(yè)時間。打造一款能以最低功耗提供性能夠好的系統(tǒng)，永遠(yuǎn)都是一大挑戰(zhàn)。透過自適應(yīng)算法，將有助于提高整體性能，并為系統(tǒng)功耗找到最佳均衡點(diǎn)。此外，在每次使用設(shè)備時，還可以透過微幅改變其設(shè)定，讓所使用的功耗量達(dá)到最佳的SNR性能以及相關(guān)的HRM準(zhǔn)確度。