設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一個(gè)光學(xué)心率測(HRM)系統(tǒng)(又稱光電容積脈搏波技術(shù)，簡稱PPG)是一類復(fù)雜的、涉及多個(gè)領(lǐng)域的項(xiàng)目。設(shè)計(jì)要素包括人體工程學(xué) 、信號處理與過濾、光學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)、低噪聲信號接收電路以及低噪聲電流脈沖發(fā)生器。

 

可穿戴電子產(chǎn)品制造商正在不斷為其保健與健身產(chǎn)品添加心率監(jiān)測功能，集成化也正在推動(dòng)心率監(jiān)測應(yīng)用中傳感器的成本不斷降低。目前，許多心率檢測傳感器都在其高度集成的模組中包含了一些分離的元器件，如模擬前端(AFE)、光電管檢測器和發(fā)光二極管等。這些模組支持更便捷的實(shí)現(xiàn)方式，可在將心率監(jiān)測功能加入到可穿戴產(chǎn)品中時(shí)降低其成本和復(fù)雜性。

 

可穿戴產(chǎn)品的外觀形態(tài)也在逐漸改變。在胸帶已經(jīng)有效地服務(wù)了保健與健身市場多年的同時(shí)，心率監(jiān)測功能現(xiàn)在正在進(jìn)入到各種手腕佩戴產(chǎn)品中。光學(xué)感測技術(shù)與高性能、低功耗處理器等方面的技術(shù)進(jìn)步，已經(jīng)促使手腕佩戴這種外形可適用于許多設(shè)計(jì);心率檢測算法的精密度也已到達(dá)了一種新的水平，從而可以被采用手腕佩帶外形的產(chǎn)品所接受。其它新的可穿戴感測應(yīng)用外觀形態(tài)和應(yīng)用場景也在不斷涌現(xiàn)，比如頭帶、體育與健身服裝、以及耳塞等。但是，可穿戴生理指標(biāo)監(jiān)測的最主要應(yīng)用場景還將歸集于手腕。

 

沒有兩種心率監(jiān)測應(yīng)用是完全相同的，系統(tǒng)開發(fā)人員必須考慮許多設(shè)計(jì)折中：如產(chǎn)品的舒適性、感測的精度、系統(tǒng)成本、功耗、陽光影響、處理許多皮膚類型、運(yùn)動(dòng)影響、開發(fā)時(shí)間和物理大小等等。所有這些設(shè)計(jì)因素都影響系統(tǒng)集成，是采用高集成度模組解決方案，抑或是采用集成了更多分離元器件的架構(gòu)。

 

圖1展示了測量心率信號的基本方法，它依賴于用光學(xué)方法從人體組織上提取的心率壓力波。圖1說明了光進(jìn)入皮膚后傳輸?shù)耐緩剑河尚穆蕢毫Σㄒ鸬拿?xì)血管舒張和收縮運(yùn)動(dòng)對由綠色LED注入人體組織的光信號進(jìn)行了調(diào)制。接收到的信號因?yàn)橥ㄟ^了皮膚而被大大地衰減，它被一個(gè)光電管接收并送到電子子系統(tǒng)中去處理。源自脈搏的振幅調(diào)制信號被檢測(過濾掉運(yùn)動(dòng)噪聲)、分析和顯示。

 

圖1 . 光學(xué)心率檢測的運(yùn)行原理

 

心率監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種基本方法采用了一種定制的的微控制器(MCU)，它被用于控制外部LED驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號發(fā)生，并同時(shí)讀取一個(gè)分離的光電管上的電流輸出數(shù)據(jù)。已知光電管的電流輸出必須轉(zhuǎn)換為電壓，輸出給模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換(A/D)單元，圖2中的原理圖說明了這類系統(tǒng)的基本原理。已知電流到電壓轉(zhuǎn)換器在光電管電流為0時(shí)產(chǎn)生一個(gè)等于VREF的電壓，而隨著電流的增加電壓將下降。

 

用在心率系統(tǒng)中的電流脈沖通常在2mA到300mA之間，具體數(shù)值取決于被測的皮膚顏色，以及所期望的信號必須抵消陽光。陽光中的紅外輻射透過皮膚組織時(shí)的衰減很小，這與期望采用的綠光LED發(fā)出的光線不同，所以它能夠淹沒綠光的信號，除非所采用的綠光非常強(qiáng)，或者添加一個(gè)昂貴的紅外線阻斷濾波器。在通常情況下，射入皮膚的綠色LED光線的強(qiáng)度，是陽光強(qiáng)度的0.1倍到3倍。由于人體組織的嚴(yán)重衰減作用，到達(dá)光電管的信號非常微弱，需要產(chǎn)生僅夠使用的電流來實(shí)現(xiàn)合理的70-100dB信噪比(SNR)，以便在即使是有完美的、無噪聲運(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的情況下來消除噪聲。采用這種消噪的原因是在每秒25次的數(shù)據(jù)讀取中，每次光電管都會(huì)接收到一定數(shù)量的電子。設(shè)計(jì)中所采用的光電管的大小在0.1 mm2到7 mm2之間。但是，當(dāng)它大于1mm時(shí)就會(huì)因陽光的影響而出現(xiàn)不確定的返回值。

 

圖2. 用光電法獲取心率數(shù)據(jù)所需的基本電子線路

 

如圖2所示，在一個(gè)光電心率系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，難以實(shí)現(xiàn)和成本很高的功能模塊分別是：快速的、大電流的驅(qū)動(dòng)LED的電壓到電流轉(zhuǎn)換器，用于光電管的電流到電壓轉(zhuǎn)換器，以及運(yùn)行算法和對序列信號進(jìn)行處理的MCU。一個(gè)可被設(shè)置到低至2mA的很低電流，但同時(shí)仍然能產(chǎn)生短至10µs的非常窄的光脈沖低噪聲(75 - 100 dB SNR)300mA LED驅(qū)動(dòng)器也是一個(gè)用分離器件實(shí)現(xiàn)起來非常昂貴的模塊。

 

圖2中所示的短至10µs的窄光脈沖支持系統(tǒng)去容忍運(yùn)動(dòng)和陽光，典型的方法是每秒25次采樣率下的每次次的快速光測試，一次測量是在LED關(guān)閉的情況下完成的，而另一次則是在LED打開的情況下完成。計(jì)算得出的差值消除了環(huán)境光的影響，重要的是給出了對閃爍的背景光不敏感的期望的原始光信號測量值。

 

極短的光脈沖可以提供更強(qiáng)的光脈沖，可以比陽光的亮度更高，這也許是目前的解決方案并使PPG信號載波不被陽光信號所破壞的方法之一。如果陽光信號大于PPG載波，盡管它可以通過減法被消除，但是手臂運(yùn)動(dòng)會(huì)帶來的難以消除的噪聲。所以系統(tǒng)會(huì)使用一個(gè)低電流的LED驅(qū)動(dòng)器和大面積的光電管對運(yùn)動(dòng)和陽光噪聲進(jìn)行補(bǔ)償。

 

許多期望的心率檢測感測功能可以通過預(yù)先的設(shè)計(jì)和集成，用僅僅一個(gè)器件來實(shí)現(xiàn)。將該項(xiàng)功能的大多數(shù)電路集成到一塊芯片中，可實(shí)現(xiàn)相對較小的3 mm x 3 mm封裝，這甚至可以把光電管自己集成于其中。

 

圖3以Silicon Labs的Si118x光學(xué)傳感器為例來說明電路原理，基于此器件可以相對方便地實(shí)現(xiàn)心率檢測設(shè)計(jì)。工程師只需專注于設(shè)計(jì)的光學(xué)部分，其中包括電路板上各部分間的光學(xué)單元和將該系統(tǒng)如何與皮膚配合。

 

圖3. 一個(gè)只需要外部LED的集成化心率傳感器

 

圖3所示的方法可以實(shí)現(xiàn)高性能的心率檢測解決方案，它并不是一些設(shè)計(jì)師所期望的小型化或高功效方案。 為了實(shí)現(xiàn)更小的解決方案，LED片芯和控制芯片必須被集成到同一個(gè)封裝中，其中集成了所有的必需的功能，包括光學(xué)單元和可以改善LED輸出的透鏡。圖4說明了這種集成度更高的解決方案，它基于Silicon Labs的Si117x光學(xué)傳感器。

 

這種心率檢測設(shè)計(jì)不需要額外的LED，因?yàn)長ED和光電管都集成在模組內(nèi)部了，而該模組可以直接安裝在光學(xué)界面的下面，亦即諸如智能手表等可穿戴產(chǎn)品的后蓋里面。這種頗具優(yōu)勢的方法使LED與光電管之間的距離短于分離器件設(shè)計(jì)，這種更短的距離支持極低功耗的運(yùn)行，這是因?yàn)樵诖┩钙つw時(shí)的光損失更低。

 

集成多個(gè)LED也解決了LED與光電管之間的光泄漏問題，其結(jié)果是設(shè)計(jì)人員不必在印刷電路板上添加光阻隔離。不采取這種方法的結(jié)果是，用塑料或者泡沫插入物和印刷電路板上的特別銅層來處理隔離。

 

圖4. 一個(gè)高度集成的心率檢測傳感器模組集成了所有必須的元器件

 

當(dāng)然，其中還有一款心率檢測設(shè)計(jì)的開發(fā)人員不必去關(guān)心的部分：心率檢測算法。這個(gè)寄附在主處理器上軟件單元非常復(fù)雜，其原因是在用戶鍛煉或者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生信號變差的情況。最終用戶的運(yùn)動(dòng)通常會(huì)產(chǎn)生其自身的信號，它們可能欺騙真正的心率信號，并在有些時(shí)候被錯(cuò)誤地認(rèn)作是心率節(jié)奏。

 

如果一家可穿戴產(chǎn)品的開發(fā)人員沒有開發(fā)算法的資源，第三方供應(yīng)商可以以軟件授權(quán)交易的提供這種軟件。Silicon Labs也提供用于其Si117x/8x光學(xué)傳感器心率算法，它們可以在編譯后運(yùn)行在大多數(shù)處理器上。

 

當(dāng)然，最終由設(shè)計(jì)師來決定各種心率檢測應(yīng)用中需要多高的集成度才合適， 設(shè)計(jì)人員能夠用高集成度的模組化解決方案和購買算法授權(quán)去簡化設(shè)計(jì)過程并加快產(chǎn)品上市。對于對光學(xué)感測有深入認(rèn)識(shí)、同時(shí)時(shí)間及資源也頗為豐沛的開發(fā)人員，這可以選擇使用分離元器件(傳感器、光電管和鏡頭等等)及自己的系統(tǒng)集成，甚至還可以開發(fā)他們自己的心率檢測算法。最終，當(dāng)我們進(jìn)行心率監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師可以選擇全部靠自己去完成，或是全部從外部購買。

推薦閱讀：