通過光電容積脈搏波監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)光學體征信號監(jiān)測

面對日益緊張，快節(jié)奏的現(xiàn)代生活，越來越多的人對壓力監(jiān)測表現(xiàn)出濃厚興趣。目前有兩種方式可以測出壓力水平，一種是阻抗監(jiān)測，因為當人們緊張時，皮膚阻抗會發(fā)生變化；一種是光學測量技術(shù)，該技術(shù)意味著，對于壓力測量可以側(cè)重測量心率和心率變化。無論是阻抗測量還是光學測量，ADI公司均已涉獵很長時間了。其中光學測量技術(shù)已經(jīng)被應用到不同的應用場景當中，生命體征監(jiān)測就是其中之一。在通過光學技術(shù)測量生命體征方面，ADI運用的是PPG（光電容積脈搏波）監(jiān)測技術(shù)，實際上就是把光注入人體或組織當中，然后通過透射法或反射法測量響應。

PPG技術(shù)，發(fā)射發(fā)走向主流

在醫(yī)院里，醫(yī)生會在我們的手指上夾上夾子，通過夾子把光注入手指。在另一側(cè)，用光電二極管測量光吸收率或者穿過手指的光量。這就是經(jīng)典的血氧測量系統(tǒng)。

圖1.用于監(jiān)測心血管體系壓力和容積的方法

如今，越來越多的設(shè)計者拋棄透射系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向反射系統(tǒng)。因為在透射測量技術(shù)中，信號強度要大得多，而反射技術(shù)更方便一些。反射技術(shù)可以把傳感器集成到一個器件當中，不需要使光穿過身體的某個部位，只需要在同一部位測量發(fā)射器和接收器上的光即可。這實際上就是PPG信號的樣子，先是頂點，然后是一個很小的反射點。

從LED到光學模塊，細說光學系統(tǒng)的構(gòu)建

光學系統(tǒng)的構(gòu)建似乎并不是很簡單。首先需要生成被注入人體的光，一般采用的是LED；然后需要信號調(diào)理模塊。根據(jù)應用場景的不同，可能只有一個光波長，也可能有兩個或者三個。如下圖所示的應用場景中，采用綠光監(jiān)測心率、紅外光監(jiān)測血氧飽和度（SPO2）。在作為接口的光電二極管之后是一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。此外，有LED控制，是用相同的模擬前端驅(qū)動的。

圖2.ADI公司光接收信號鏈與ADPDxxxx系列

對于這個信號鏈，ADI推出了完整的集成式光傳感器ADPD22XX系列。雖然光學系統(tǒng)并非始終都需要集成這類光傳感器，但是，如果要測量血氧飽和度SPO2，相比光硬驅(qū)系統(tǒng)，信噪比需要高得多。所以對于這類應用場景，增加一個嵌入放大器的光傳感器就非常有用了。另外，ADI還有完整的子系統(tǒng)集成式模擬前端——ADPD10X或108X系列，該系列前端集成了20倍放大器。其后是一個調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，此外還集成了LED驅(qū)動器。就光學模塊而言，ADI也可以提供全系列的光學模塊產(chǎn)品，包括ADPD14、17和18X系列。

克服光學系統(tǒng)構(gòu)建挑戰(zhàn)，ADI產(chǎn)品全方位應對

在設(shè)計光學系統(tǒng)時，有一些問題要考慮，比如環(huán)境光的干擾有可能輕松破壞掉測量結(jié)果。因此，如果要設(shè)計這樣的系統(tǒng)，就需要確保能抑制環(huán)境光的干擾。環(huán)境光通常來自太陽，抑制起來比較容易，只要添加一個小濾波器，就能完全抑制。但是室內(nèi)采用的是LED一類開關(guān)頻率為350KHz的固態(tài)照明，這類光抑制起來就要困難得多。ADI的環(huán)境光抑制模塊（例如ADPD17X和ADPD18X系列）具有強大的外部干擾抑制能力，能夠非常有效地抑制外部光干擾。

圖3.ADI ADPD174GGI光學模塊及其后續(xù)產(chǎn)品

然后，運動也是一個必須考慮的因素，因為其干擾可能造成大量的偽影。例如采用戴在腕部的測量器件，在測量光學心率時，雙手可能在移動，移動的基頻很可能剛好與心跳處在相同的范圍內(nèi)，這時就需要進行補償。一般可以通過機械方式進行補償，比如，通過腕帶使器件緊貼皮膚，這樣做會起到一定的作用，能抑制運動產(chǎn)生的部分偽影，但同時還要做的是，集成或者建議集成運動傳感器。在這方面，ADI的超低功耗、3軸MEMS加速度計ADXL362就是一個不錯的選擇。

圖4. ADXL362是業(yè)內(nèi)功耗極低的MEMS加速度計

此外，對于光學系統(tǒng)而言，還需要考慮的還包括人體生理機能、膚色、系統(tǒng)的機械因素（例如LED與光電二極管之間的距離）等。針對模擬前端，ADI開發(fā)了相應的產(chǎn)品——ADPD10X系列光度測量前端，該系列產(chǎn)品有助于克服上述的各種挑戰(zhàn)。新一代的ADPD108X系列與上一代系列產(chǎn)品相比，在功耗相同的情況下，可以提高信噪比；也可以使信噪比與以前的系列保持一致，但可以實現(xiàn)更優(yōu)化的低功耗。

圖5.ADI第二代和第三代光學模擬前端產(chǎn)品對比

結(jié)語

可以看出，在光學法測量生理體征信號方面，ADI可以提供完整的光系列傳感器及信號處理方案。據(jù)悉，ADI專門應用于光學法測量的各類生理體征信號的ADPD系列產(chǎn)品是目前市面上（可以看到的）集成較高（Photodiode+LED+模擬前端采集AFE+LEDdriver+環(huán)境光抑制等，輸出就是I2C的數(shù)字量）、體積小、功耗低（十分靈活的配置）、性能好（在體積，功耗都很有優(yōu)勢的同時）以及非常成熟（早已有大量出貨）的解決方案?？傊珹DI公司始終都走在這個市場的前沿，積極開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品和解決方案，以實現(xiàn)新一代生命體征監(jiān)測。

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