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从光学模块到系统构建来解决,如何实现光学体征信号监测?

发布时间:2019-12-09 责任编辑:lina

【导读】面对日益紧张,快节奏的现代生活,越来越多的人对压力监测表现出浓厚兴趣。目前有两种方式可以测出压力水平,一种是阻抗监测,因为当人们紧张时,皮肤阻抗会发生变化;一种是光学测量技术,该技术意味着,对于压力测量可以侧重测量心率和心率变化。
 
面对日益紧张,快节奏的现代生活,越来越多的人对压力监测表现出浓厚兴趣。目前有两种方式可以测出压力水平,一种是阻抗监测,因为当人们紧张时,皮肤阻抗会发生变化;一种是光学测量技术,该技术意味着,对于压力测量可以侧重测量心率和心率变化。无论是阻抗测量还是光学测量,ADI公司均已涉猎很长时间了。其中光学测量技术已经被应用到不同的应用场景当中,生命体征监测就是其中之一。在通过光学技术测量生命体征方面,ADI运用的是PPG(光电容积脉搏波)监测技术,实际上就是把光注入人体或组织当中,然后通过透射法或反射法测量响应。
 
PPG技术,发射发走向主流
 
在医院里,医生会在我们的手指上夹上夹子,通过夹子把光注入手指。在另一侧,用光电二极管测量光吸收率或者穿过手指的光量。这就是经典的血氧测量系统。
 
 从光学模块到系统构建来解决,如何实现光学体征信号监测?
图1.用于监测心血管体系压力和容积的方法
 
如今,越来越多的设计者抛弃透射系统,转向反射系统。因为在透射测量技术中,信号强度要大得多,而反射技术更方便一些。反射技术可以把传感器集成到一个器件当中,不需要使光穿过身体的某个部位,只需要在同一部位测量发射器和接收器上的光即可。这实际上就是PPG信号的样子,先是顶点,然后是一个很小的反射点。
 
从LED到光学模块,细说光学系统的构建
 
光学系统的构建似乎并不是很简单。首先需要生成被注入人体的光,一般采用的是LED;然后需要信号调理模块。根据应用场景的不同,可能只有一个光波长,也可能有两个或者三个。如下图所示的应用场景中,采用绿光监测心率、红外光监测血氧饱和度(SPO2)。在作为接口的光电二极管之后是一个模数转换器。此外,有LED控制,是用相同的模拟前端驱动的。
 
从光学模块到系统构建来解决,如何实现光学体征信号监测?
图2.ADI公司光接收信号链与ADPDxxxx系列
 
对于这个信号链,ADI推出了完整的集成式光传感器ADPD22XX系列。虽然光学系统并非始终都需要集成这类光传感器,但是,如果要测量血氧饱和度SPO2,相比光硬驱系统,信噪比需要高得多。所以对于这类应用场景,增加一个嵌入放大器的光传感器就非常有用了。另外,ADI还有完整的子系统集成式模拟前端——ADPD10X或108X系列,该系列前端集成了20倍放大器。其后是一个调理模块、模数转换器,此外还集成了LED驱动器。就光学模块而言,ADI也可以提供全系列的光学模块产品,包括ADPD14、17和18X系列。
 
克服光学系统构建挑战,ADI产品全方位应对
 
在设计光学系统时,有一些问题要考虑,比如环境光的干扰有可能轻松破坏掉测量结果。因此,如果要设计这样的系统,就需要确保能抑制环境光的干扰。环境光通常来自太阳,抑制起来比较容易,只要添加一个小滤波器,就能完全抑制。但是室内采用的是LED一类开关频率为350KHz的固态照明,这类光抑制起来就要困难得多。ADI的环境光抑制模块(例如ADPD17X和ADPD18X系列)具有强大的外部干扰抑制能力,能够非常有效地抑制外部光干扰。
 
从光学模块到系统构建来解决,如何实现光学体征信号监测?
图3.ADI ADPD174GGI光学模块及其后续产品
 
然后,运动也是一个必须考虑的因素,因为其干扰可能造成大量的伪影。例如采用戴在腕部的测量器件,在测量光学心率时,双手可能在移动,移动的基频很可能刚好与心跳处在相同的范围内,这时就需要进行补偿。一般可以通过机械方式进行补偿,比如,通过腕带使器件紧贴皮肤,这样做会起到一定的作用,能抑制运动产生的部分伪影,但同时还要做的是,集成或者建议集成运动传感器。在这方面,ADI的超低功耗、3轴MEMS加速度计ADXL362就是一个不错的选择。
 
从光学模块到系统构建来解决,如何实现光学体征信号监测?
图4. ADXL362是业内功耗极低的MEMS加速度计
 
此外,对于光学系统而言,还需要考虑的还包括人体生理机能、肤色、系统的机械因素(例如LED与光电二极管之间的距离)等。针对模拟前端,ADI开发了相应的产品——ADPD10X系列光度测量前端,该系列产品有助于克服上述的各种挑战。新一代的ADPD108X系列与上一代系列产品相比,在功耗相同的情况下,可以提高信噪比;也可以使信噪比与以前的系列保持一致,但可以实现更优化的低功耗。
 
从光学模块到系统构建来解决,如何实现光学体征信号监测?
图5.ADI第二代和第三代光学模拟前端产品对比
 
结语
 
可以看出,在光学法测量生理体征信号方面,ADI可以提供完整的光系列传感器及信号处理方案。据悉,ADI专门应用于光学法测量的各类生理体征信号的ADPD系列产品是目前市面上(可以看到的)集成较高(Photodiode+LED+模拟前端采集AFE+LEDdriver+环境光抑制等,输出就是I2C的数字量)、体积小、功耗低(十分灵活的配置)、性能好(在体积,功耗都很有优势的同时)以及非常成熟(早已有大量出货)的解决方案。总之,ADI公司始终都走在这个市场的前沿,积极开发相关产品和解决方案,以实现新一代生命体征监测。
(来源:ADI)
 
 
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