如何设计更好的脉搏血氧仪：实施

设计医疗设备比以往任何时候都更重要使用更方便，耗电更少。本文讨论了更有效的脉搏血氧仪的设计和实现。

在这个由两部分组成的系列的第一篇文章中，我们介绍了脉搏血氧仪的技术规格。在本文中，我们将介绍设计考虑因素，例如透射式与反射式、传感器定位、灌注指数、运动伪影以及使用光学 AFE 进行设计的细节。

透射与反射

可以使用透射式或反射式 LED 和 PD 配置获得 PPG 信号。透射配置测量通过身体一部分的未被吸收的光。这种配置最适合手指和耳垂等区域，这些区域的测量受益于这些身体部位的毛细管密度，这使得测量更加稳定、重复，并且对位置的变化不太敏感。透射式配置使灌注指数提高了 40 dB 至 60 dB。

当 PD 和 LED 出于实用性而必须彼此相邻放置时，例如腕戴式或胸戴式设备，则选择反射式 PPG 配置。

图 1. LED-PD 配置。 （来源：Analog Devices）

传感器定位和灌注指数

手腕和胸部的定位需要 PPG AFE 中更大的动态范围，因为 DC 信号由于皮肤、脂肪和骨骼等静态反射成分下方的动脉深度而大大增加。

PPG 测量中更高的分辨率将降低 SpO2 算法中的不确定性。腕戴式血氧饱和度传感器的典型 PI 为 1% 至 2%，脉搏血氧仪设计的目标是通过机械设计增加 PI 或增加动态范围。

LED 与 PD 的间距将对 PI 产生重大影响。间距太小会增加 LED 到 PD 的串扰或反向散射。这将显示为直流信号并使 AFE 饱和。

增加此间距可降低反向散射和串扰的影响，但也会降低电流互感器比 (CTR)，即 LED 输出与 PD 返回电流的比率。这会影响 PPG 系统的效率，需要更大的 LED 功率来最大化 AFE 动态范围。

快速脉冲一个或多个 LED 的好处是减少 1/f 噪声对整个信号的贡献。脉冲 LED 还可以在接收端使用同步调制来消除环境光干扰。集成多个脉冲会增加 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 设备制造商已采用单个大型 PD 和多个节能绿色 LED 的组合，用于血流有限的地方。选择绿色 LED 是因为它们对运动伪影的高度拒绝。然而，这是以功率为代价的。绿色 LED 的正向电压高于红色和 IR，并且在人体组织中具有高吸光度，这意味着需要更高的 LED 功率才能返回有意义的心脏信息。

由于 SpO2 需要多个波长，而且大多数系统仍为 HR PPG 配备高效绿色 LED，因此 HR 和 SpO2 PPG 系统最常见的配置是单个绿色、红色和红外 LED 阵列，周围有多个 PD，如 ADI 所示VSM 观察图 2。PD 到 LED 的间距已经过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：Analog Devices）

对 ADI VSM 手表的多个原型进行了试验，以验证我们的 HR PPG 和 SpO2 测量中最有效的 PD 到 LED 间距。

运动伪影

运动伪影是 PPG 测量系统面临的最大设计挑战之一。当存在运动时，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 信号中，因为光子的吸收或反射与身体静止时不同。

对于覆盖无限长深层组织样本的无限宽光电二极管区域，所有光子最终都会反射到光电二极管。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；解决方案是在考虑电容的同时增加光电二极管面积——降低 AFE 并过滤运动伪影。

PPG 信号的正常频率在 0.5 Hz 到 5 Hz 之间，而运动伪影通常在 0.01 Hz 到 10 Hz 之间。不能使用简单的带通滤波技术从 PPG 信号中去除运动伪影。为了实现高精度的运动消除，需要为自适应滤波器提供高精度的运动数据。为此，ADI 公司开发了 ADXL362 3 轴加速度计。该加速度计提供 1 mg 分辨率高达 8 g 在 100 Hz 时仅消耗 3.6 μW，并且采用 3 mm × 3 mm 封装。

光学 AFE

脉搏血氧仪的定位产生了几个挑战。腕戴式 SpO2 设备带来了额外的设计挑战，因为感兴趣的交流信号仅占 PD 接收到的总光的 1% 到 2%。为了获得医疗级认证并区分氧合血红蛋白水平的细微变化，需要更高的交流信号动态范围。这可以通过减少环境光干扰和降低 LED 驱动器和 AFE 噪声来实现。

增加动态范围对于在低灌注情况下测量 SpO2 至关重要，而像 Analog Devices ADPD4100（和 ADPD4101）这样的下一代光学 AFE 可实现高达 100 dB 的 SNR。这种集成光学 AFE 具有八个板载低噪声电流源和八个独立的 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。

增加的 SNR/μW 是电池供电连续监测的重要参数。这一关键指标已通过增加 AFE 动态范围同时降低 AFE 电流消耗得到解决。例如，对于 75 dB、25 Hz 连续 PPG 测量（包括 LED 电源），ADPD4100 的总功耗仅为 30 μW。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。对于使用 4 V LED 电源的连续 PPG 测量，1 μW 总系统消耗将返回 93 dB SNR。

自动环境光抑制减少了主机微处理器的负担，同时实现了 60 dB 的光抑制。这是通过使用最快 1 μs 的 LED 脉冲以及带通滤波器来抑制干扰来实现的。在某些工作模式下，ADPD4100 会自动计算光电二极管暗电流或 LED 关闭状态。该结果在 ADC 转换之前从 LED 开启状态中减去，以消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 EVAL-ADPD4100-4101 可穿戴评估套件和 ADI 生命体征监测研究手表。该硬件无缝连接到 ADI Wavetool 应用程序，以实现生物阻抗、ECG、PPG 心率和多波长 PPG 测量，以进行 SpO2 开发。学习手表中嵌入了自动增益控制 (AGC) 算法，可调整 TIA 增益和 LED 电流，为所有选定的 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，这也减少了直流分量的贡献。

对于此类应用，诸如 ADPD144RI 之类的光学传感器模块和 ADPD1080 之类的光度测量前端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，因为光学传感器在 2.8 mm × 5 mm 封装中集成了一个红色 660 nm LED、880 nm IR LED 和四个 PD。 LED 和 PD 之间的间距经过优化，可为 SpO2 高精度 PPG 测量提供最佳信噪比。该设备还进行了机械优化，以尽可能减少光学串扰，即使将传感器放置在单个玻璃窗下也是如此。

ADPD1080 是一款集成光学 AFE，在 17 球、2.5 mm × 1.4 mm WLLCSP 中具有三个 LED 驱动通道和两个 PD 电流输入通道。这种 AFE 非常适用于电路板空间至关重要的定制设计低通道数 PPG 产品。

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图 3. ADPD410X 框图。 （来源：Analog Devices）

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图 4. ADPD4100 同时进行红色（右）和 IR（左）PPG 测量。 （来源：Analog Devices）

参考文献

1. 田村俊世。 “用于健康监测的光电容积脉搏波和 SpO2 的当前进展。” 生物医学工程快报 ，2019 年 2 月。
2. Jihyoung Lee、Kenta Matsumura、Ken-Ichi Yamakoshi、Peter Rolfe、Shinobu Tanaka 和 Takehiro Yamakoshi。 “用于运动期间心率监测的红绿光和蓝光反射光电容积脉搏波的比较。” 2013 3 第 5 届 IEEE 医学与生物学工程学会 (EMBC) 年度国际会议 ，2013 年 7 月。

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