如何设计更好的脉搏血氧仪？

在本文中，我们将介绍设计注意事项，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

可以使用透射或反射式 LED 和 PD 配置获取 PPG 信号。透射配置测量穿过身体某个部位的未吸收光。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，这使得测量结果更稳定、重复性更强，并且对放置位置的变化不太敏感。透射配置可使灌注指数增加 40 dB 至 60 dB。

当为了实用而必须将 PD 和 LED 彼此相邻放置时(例如腕戴式或胸戴式设备)，会选择反射式 PPG 配置。

传感器定位和灌注指数

由于动脉深度低于皮肤、脂肪和骨骼等静态反射成分，导致直流信号大大增加，因此将动脉定位在手腕和胸部需要 PPG AFE 具有更大的动态范围。

PPG 测量的分辨率越高，SpO 2算法的不确定性就越小。腕戴式 SpO 2传感器的典型 PI 为 1% 到 2% ，脉搏血氧仪设计的目标是通过机械设计来提高 PI，或者增加动态范围。

LED 与 PD 之间的间距对 PI 有很大影响。间距太小会增加 LED 与 PD 之间的串扰或反向散射。这将显示为直流信号并使 AFE 饱和。

增加该间距可减少反向散射和串扰的影响，但也会降低电流变压器比 (CTR)，即 LED 输出与 PD 返回电流之比。这将影响 PPG 系统的效率，并需要更大的 LED 功率来最大化 AFE 动态范围。

快速脉冲一个或多个 LED 的好处是可以减少 1/f 噪声对整体信号的贡献。脉冲 LED 还可以在接收端使用同步调制来消除环境光干扰。集成多个脉冲可以增加 PD 信号幅度并降低平均电流消耗。增加总 PD 面积也会增加 CTR，因为可以捕获更多的反射光。

对于心率 PPG 测量，许多 HR 设备制造商采用单个大型 PD 和多个节能绿色 LED 的组合，用于血流受限的地方。之所以选择绿色 LED，是因为它们对运动伪影具有较高的抑制能力。然而，这是以功耗为代价的。绿色 LED 的正向电压高于红色和红外线，并且在人体组织中吸光度较高，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 SpO 2需要多种波长，并且大多数系统仍为 HR PPG 采用高效绿色 LED，因此 HR 和 SpO 2 PPG 系统最常见的配置是单个绿色、红色和红外 LED 阵列，周围环绕着多个 PD。PD 到 LED 的间距已经过优化，以减少反向散射，而挡板设计则减少了 LED 到 PD 的串扰。

我们对 ADI VSM 手表的多个原型进行了试用，以验证对于我们的 HR PPG 和 SpO 2测量来说最有效的 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，这在 PPG 信号中有所体现，因为光子的吸收或反射方式与身体静止时不同。

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，不会检测到因运动而产生的伪影。然而，这无法实现;解决方案是增加光电二极管面积，同时考虑电容——降低 AFE 并为运动伪影提供滤波。

PPG 信号的正常频率在 0.5 Hz 至 5 Hz 之间，而运动伪影通常在 0.01 Hz 至 10 Hz 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，需要为自适应滤波器提供高精度运动数据。为此，Analog Devices 开发了ADXL362 3 轴加速度计。该加速度计提供 1 m g分辨率，量程高达 8 g，在 100 Hz 时仅消耗 3.6 μW，采用 3 mm × 3 mm 封装。

光学 AFE

脉搏血氧仪的定位带来了一些挑战。腕戴式 SpO 2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 上总接收光的 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 SpO 2至关重要，而下一代光学 AFE(如 ADI 公司的ADPD4100(和ADPD4101))可实现高达 100 dB 的 SNR。这款集成光学 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 个可编程时隙，使用户能够使用特定的 LED 电流、模拟和数字滤波、集成选项和时序约束来定义 PD 和 LED 序列阵列。

提高 SNR/μW 是电池供电连续监控的一个重要参数。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，对于包括 LED 电源在内的 75 dB、25 Hz 连续 PPG 测量，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。

自动环境光抑制功能可减轻主机微处理器的负担，同时实现 60 dB 的光抑制。这是通过使用快至 1 μs 的 LED 脉冲与带通滤波器结合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。在 ADC 进行转换之前，会从 LED 开启状态中减去此结果，以消除环境光以及光电二极管内的增益误差和漂移。

特定应用的开发工具进一步简化了设计。例如，ADPD4100 可由EVAL-ADPD4100-4101可穿戴评估套件和ADI 生命体征监测研究手表支持。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 SpO 2开发。研究手表中嵌入了一种自动增益控制 (AGC) 算法，该算法可调节 TIA 增益和 LED 电流，从而为所有选定的 LED 波长提供最佳的 AC 信号动态范围。

基于手指和耳垂的 SpO 2读数是最容易设计的，因为由于骨骼和组织的减少，其信噪比高于基于手腕或胸部的定位，这也降低了直流分量的贡献。

对于此类应用， ADPD144RI等光学传感器模块和ADPD1080等光度前端可帮助开发人员快速克服与 LED 和 PD 放置和间距相关的设计难题，从而实现最佳功率噪声比。这是因为光学传感器在 2.8 mm × 5 mm 封装中集成了红色 660 nm LED、880 nm IR LED 和四个 PD。LED 和 PD 之间的间距已优化，可为 SpO 2高精度 PPG 测量提供最佳信噪比。该设备还经过机械优化，即使将传感器放置在单个玻璃窗下，也能尽可能减少光学串扰。

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，采用 17 球、2.5 mm × 1.4 mm WLLCSP 封装。此 AFE 非常适合定制设计低通道数 PPG 产品，因为电路板空间至关重要。