我们介绍了脉搏血氧仪的技术规格。本文将介绍透射反射、传感器定位、灌注指数、运动伪影、光学使用等设计考虑因素 AFE 设计细节。
透射与反射
使用透射或反射 LED 和 PD 可获得配置 PPG 信号。透射配置通过身体的一部分未被吸收的光进行测量。这种配置最适合手指、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，使测量更加稳定和重复，对位置变化的敏感性更低。实现了透射配置 40 dB 到 60 dB 灌注指数增加。
当 PD 和 LED 出于实用性，必须相邻放置，如腕戴或胸戴设备，选择反射式 PPG 配置。
传感器定位和灌注指数
手腕和胸部的定位需要 PPG AFE 由于静态反射成分下的动脉深度，如皮肤、脂肪和骨骼，直流信号大大增加。
PPG 测量中较高的分辨率会降低 SpO 2算法中的不确定性。 SpO 典型的2传感器 PI 为 1% 至 2% ，脉搏血氧仪的设计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 重大影响。间距过小会增加。 LED 到 PD 串扰或反向散射。这将显示为直流信号并使用 AFE 饱和。
增加这个间距会减少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。这将影响 PPG 系统的效率，并需要更大的 LED 最大化功率 AFE 动态范围。
一个或多个快速脉冲 LED 优点是减少 1/f 噪声对整个信号的贡献。 LED 同步调制也可用于消除接收端的环境光干扰。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 设备制造商已经使用了单个大型设备 PD 多节能绿色 LED 在血流有限的地方方。选择绿色 LED 因为他们高度拒绝运动伪影。但是，这是以功率为代价的。绿色 LED 正向电压高于红色和 IR，并且在人体组织中具有较高的吸光度，这意味着需要较高的吸光度 LED 动力可以返回有意义的心脏信息。
由于 SpO 2需要多个波长，大多数系统仍然是 HR PPG 集高效绿色于一体 LED，因此 HR 和 SpO 2 PPG 最常见的系统配置是由多个系统组成的 PD 单个绿色、红色和红外线被包围 LED 阵列，如上图所示 2 中的 ADI VSM 观察。PD 到 LED 为了减少反向散射，减少了挡板设计 LED 到 PD 的串扰。
对 ADI VSM 测试了手表的多个原型来验证我们 HR PPG 和 SpO 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。当有运动时，动脉和静脉的宽度会因压力而变化。光电二极管吸收的光量会发生变化 PPG 在信号中，光子的吸收或反射不同于静止时的身体。
对于覆盖无限长度和深度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中。在这种情况下，不会检测到由运动引起的伪影。然而，这是不可能的；解决方案是增加光电二极管的面积，同时考虑电容 AFE 并为运动伪影提供过滤。
PPG 信号的正常频率是 0.5 Hz 到 5 Hz 运动伪影通常在之间 0.01 Hz 到 10 Hz 之间。不能使用简单的带通滤波技术 PPG 在信号中去除运动伪影。为了消除高精度运动，需要为自适应滤波器提供高精度运动数据。为此，ADI 公司开发了ADXL362 3 轴加速度计。提供加速度计 1 mg分辨率和高达 8 g量程，同时在 100 Hz 下仅消耗 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几个挑战。 SpO 由于感兴趣的交流信号只占设计挑战，设备带来了额外的设计挑战 PD 上接收到的总光 1% 到 2%。为了获得医学认证，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。通过减少环境光干扰和减少 LED 驱动器和 AFE 实现噪声。
在低灌注条件下测量增加动态范围 SpO 而像 Analog Devices ADPD4100（和ADPD4101)下一代光学 AFE 可实现高达 100 dB 的 SNR。这种集成光学 AFE 8个板载低噪声电流源和8个独立电流 PD 输入。有数字时序控制器 12 用户可以定义一个具体的可编程时序槽 LED 电流、模拟和数字滤波、集成选项和时间限制 PD 和 LED 序列阵列。
增加的 SNR/μW 是连续监测电池供电的重要参数。这个关键指标已经增加了 AFE 同时降低动态范围 AFE 解决了电流消耗问题。例如，对于 75 dB、25 Hz 连续 PPG 测量（包括 LED 电源），ADPD4100 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 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。
自动环境光抑制减轻了主机微处理器的负担，实现了 60 dB 的光抑制。最快使用 1 μs 的 LED 脉冲和带滤波器抑制干扰。在某些工作模式下，ADPD4100 光电二极管暗电流会自动计算 LED 关闭状态。该结果在 ADC 转换之前从 LED 减去开启状态，消除环境光和光电二极管的增益误差和漂移。
在应用程序中使用特定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ADI 生命体征监测研究手表。硬件无缝连接 ADI Wavetool 应用程序，以实现生物阻抗、ECG、PPG 心率和多波长 PPG 用于测量 SpO 2开发。学习手表嵌入自动增益控制 (AGC) 该算法可调节算法 TIA 增益和 LED 电流，认为所有选定的电流 LED 波长提供最佳交流信号动态范围。
基于手指和耳垂 SpO 读数最容易设计，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。
光学传感器模块，如ADPD144RI和光前端像ADPD1080使开发者能够快速跳过设计挑战LED和PD放置相关联的和间隔，以达到最佳功率与噪声比。这是可能的，因为光学传感器在 2.8 mm × 5 mm 红色集成了红色 660 nm LED、880 nm IR LED 和四个 PD。LED 和 PD 优化间距可以是 SpO 2高精度 PPG 测量提供最佳信噪比。该设备还进行了机械优化，尽量减少光学串扰，即使传感器放置在单个玻璃窗下。
ADPD1080 是集成光学 AFE，在 17 球、2.5 mm × 1.4 mm WLLCSP 中具有三个 LED 两个驱动通道 PD 电流输入通道 AFE 低通道数非常适合电路板空间的定制设计 PPG 产品。 相关实战：https://www.99qibang.cn/information/f9e767e732ec441eb0d014bdc7abec6c.html https://www.99qibang.cn/information/a1d19d2a3ec8497bba93472d4d3e8e5b.html https://www.99qibang.cn/information/e150ed86f9c045a6b3d6b55136c20e1f.html