当每一μA都发挥其作用！

测量多个参数，读数准确，电池寿命长，— 这些对于可穿戴健康设备而言最重要。

自从10年前第一台计步器上市以来，已发生很大变化。最初，测量仅关注计步功能。十年来的研究结果表明，每天走路10000步，即可保持卡路里摄入和消耗平衡。同时，可穿戴设备增加了其他功能和特性，例如测量心率、心率变化、体温和皮肤电导率。可穿戴设备最初是为体育和健康目的而设计，但现在正慢慢进入医疗市场。随着这种转变，我们必须更加依赖测量的准确性和电池的寿命的长短。一块电池能够维持设备运转的时间越长，越容易为用户所用。

本文介绍一款新一代可穿戴设备产品，包括如何提高您的系统可靠性和能效的技巧和提示。

用于心率测量的PPG

说到身体健康，我们身体中最重要的器官就是心脏。可以将它视为人体系统的发动机。没有运行良好的心脏，我们将会面临严重的健康问题。为此原因监测心脏功能是重中之重。当每分钟心脏跳动数超出正常值时，我们有充分的理由检查我们的心率。除此之外，我们可以通过心脏的活动频率获取大量的心脏行为信息。当身体需要进行更多活动时，心率加快，为细胞带来更多的营养和含氧血。持续高心率和心率快速变化不是好事，这可能表示存在房颤等心脏疾病。

除了监测心脏频率，还有另外一个参数，称为心率变异性（HRV）。当人们放松时，他们的每分钟心跳数并非固定不变，心跳频率会略有变化，在每分钟±3次范围内。这种变化表明处于放松状态。当人们紧张或受惊吓时，体内的肾上腺素水平上升，心脏开始以无变化频率跳动。因此监测HRV参数很重要。

获取心脏信号的经典方法是生物电测量心电图（ECG）。但是，要将其集成于可穿戴设备中并不容易。

测量心率的趋势，除了利用生物电，还可利用光学原理。这项技术已经存在了很长时间，称为光电血管容积图（PPG）。PPG技术主要应用于测量血液中的血氧饱和度（SPO2）的系统中。SPO2测量，则是通过身体特定部位（通常是手指或耳垂）发射两种不同波长的光，测量氧合血红蛋白百分比和血红蛋白总量。由于这项技术也可以测量心率，所以在可穿戴设备中应用广泛，例如小型腕戴式设备，与生物电测量不同，它可使用单点测量拾取心率。ADI公司的ADPD174是一种用于支持这些应用的光学子系统（参见图1）。

图1.ADPD174，采用单封装的6.5 mm &TImes; 2.8 mm 光学系统。

反射和透射

很多人都熟悉SPO2测量，这可以通过线夹固定在手指或耳垂上来实现。光是通过身体的某一部分发送，并在另一端用光电二极管测量接收到的信号。我们利用这种传输技术测量接收到的或不吸收的光量。这项技术的工作原理在信号性能和功耗方面为同类最佳。但是，在可穿戴系统中集成透射测量也并非易事，因为对于可穿戴系统，舒适非常关键。因此，反射测量更为常用。在反射光学系统中，光被发送至组织的表面，一部分被红细胞吸收，其余的光反射回组织表面，由光传感器测量。在反射系统中，接收信号最高不超过60 dB，所以我们需要多加注意发送和接收信号链的电气和光学方面。

电子和机械挑战

心脏跳动期间，血流量发生变化，导致接收到的反射光发生散射。用来测量PPG信号的光的波长会随各种因素而有所不同，—首先是测量类型。在本文中，我们将测量限制在心率及其变化范围内。对于该测量，所需的波长不仅取决于所测量的身体位置，还取决于相关血流灌注水平、组织温度和组织的色调。一般对于腕戴式设备，动脉不位于手腕顶端，您需要从皮肤表层下的静脉和毛细血管来检测脉动分量。在这些应用中使用绿光使我们能够更好地接收。在血流充足的地方，如上臂、太阳穴、或耳道，红光或红外会更加有效，它可以更深地穿透组织，—尤其是对于电池电量和尺寸总是个难题的可穿戴式应用，红光或IR LED带来了额外的优势，它们只需要较低的正向电压。对于使用纽扣式电池的应用，这些LED可直接由电池电压驱动。

2 当每一μA都发挥其作用！

图2.所需LED正向电压与LED电流。

遗憾的是，绿色LED需要更高的正向电压，所以需要额外的升压转换器，这将对您系统的总功耗带来不利影响。图2显示了不同颜色LED所需的正向电压与电流的函数关系。如果仍需绿色LED，ADP2503降压/升压转换器可以帮助支持更高的LED正向电压，通过输入电压可以达到最高5.5 V，也可低至2.3 V。

在权衡考虑时，如传感器位置和LED颜色，下一步是选择最合适的光学解决方案。关于模拟前端有很多选择，分立式或全集成式，也提供大量光传感器和LED可供选择。