針對運動和保健市場發展，穿戴式健康裝置講求長時間配戴、最佳SNR性能和低功耗的心率監測精度，透過掌握人體機能與電子產品接觸效果，以及低功耗的晶片、子系統和自我調整演算法的裝置設計，將可滿足使用者體驗。
自從10年前第一台計步器上市以來，已發生很大變化。最初，測量僅關注計步功能。十年來的研究結果顯示，每天走路10,000步，即可保持卡路里攝入和消耗平衡。同時，穿戴式裝置增加了其他功能和特性，例如測量心率、心率變化、體溫和皮膚電導率。穿戴式裝置最初是為體育和健康目的而設計，但現在正慢慢進入醫療市場。隨著這種轉變，將更加依賴測量的準確性和電池壽命的長短。一塊電池能夠維持裝置運轉的時間越長，越容易為用戶所用。
本文介紹一款新一代穿戴式裝置的設計方案，包括如何提高系統可靠性和能效的技巧和提示。
用於心率監測的PPG
說到身體健康，身體中最重要的器官就是心臟。可以將它視為人體系統的發動機。沒有運行良好的心臟，將會面臨嚴重的健康問題，為此原因監測心臟功能是重中之重。當每分鐘心臟跳動數超出正常值時，便具有充分的理由來檢查心率。除此之外，可透過心臟的活動頻率獲取大量的心臟行為資訊。當身體須要進行更多活動時，心率加快，為細胞帶來更多的營養和含氧血。持續高心率和心率快速變化不是好事，這可能表示存在心房顫動等心臟疾病。
除了監測心臟頻率，還有另外一個參數，稱為心率變異性(HRV)。當人們放鬆時，他們的每分鐘心跳數並非固定不變，心跳頻率會略有變化，在每分鐘±3次範圍內，這種變化顯示處於放鬆狀態。當人們緊張或受驚嚇時，體內的腎上腺素水準上升，心臟開始以無變化頻率跳動。因此，監測HRV參數很重要。
獲取心臟訊號的經典方法是生物電測量心電圖(ECG)。但是，要將其整合於穿戴式裝置中並不容易。
測量心率的趨勢，除了利用生物電，還可利用光學原理。這項技術已經存在很長時間，稱為光電血管容積圖(PPG)。PPG技術主要應用於測量血液中的血氧飽和度(SpO2)的系統中。SpO2測量是透過身體特定部位(通常是手指或耳垂)發射兩種不同波長的光，測量氧合血紅蛋白百分比和血紅蛋白總量。由於這項技術也可以測量心率，所以在穿戴式裝置中應用廣泛，例如小型腕戴式裝置，與生物電測量不同，它可使用單點測量拾取心率。
留意反射和透射現象
很多人都熟悉SpO2測量，這可以透過線夾固定在手指或耳垂上來實現。光源穿透身體的某一部分發送，並在另一端用光電二極體測量接收到的訊號，利用這種傳輸技術測量接收到的或不吸收的光量。這項技術的工作原理在訊號性能和功耗方面為同類最佳。但是，在穿戴式系統中整合透射測量也並非易事，因為對於穿戴式系統，舒適非常關鍵。因此，反射測量更為常用。
在反射光學系統中，光被發送至人體組織的表面，一部分被紅血球吸收，其餘的光反射回組織表面，由光感測器測量。在反射系統中，接收訊號最高不超過60dB，所以須要多加注意發送和接收訊號鏈的電氣和光學方面。
面對電子和機械挑戰
心臟跳動期間，血流量發生變化，導致接收到的反射光發生散射。用來測量PPG訊號的光波長會隨各種因素而有所不同，首先是測量類型。在本文中，將測量限制在心率及其變化範圍內。對於該測量，所需的波長不僅取決於所測量的身體位置，還取決於相關血流灌注水準、組織溫度和組織的色調。
一般對於腕戴式裝置，動脈不位於手腕頂端，須要從皮膚表層下的靜脈和毛細血管來檢測脈動分量。在這些應用中，使用綠光以便能夠更好地接收。在血流充足的地方，如上臂、太陽穴或耳道，紅光或紅外線會更加有效，它可以更深地穿透組織，尤其是對於電池電量和尺寸總是個難題的穿戴式應用，紅光或紅外線發光二極體(IR LED)帶來額外的優勢，它們只需要較低的正向電壓。對於使用鈕釦式電池的應用，這些LED可直接由電池電壓驅動。
遺憾的是，綠色LED需要更高的正向電壓，所以需要額外的升壓轉換器，這將對系統的總功耗帶來不利影響。圖1顯示了不同顏色LED所需的正向電壓與電流的函數關係。如果仍需綠色LED，ADP2503降壓/升壓轉換器可以協助支援更高的LED正向電壓，透過輸入電壓可以達到最高5.5伏特(V)，也可低至2.3伏特。
圖1 所需LED正向電壓與LED電流
在感測器位置和LED顏色之間取捨考慮後，下一步是選擇最合適的光學解決方案。關於類比前端有很多選擇，分立式或全整合式，也提供大量光感測器和LED可供選擇。為較大程度減輕設計工作量並縮短上市時間，亞德諾(ADI)建構了全整合式光學子系統，用於反射光學測量，例如ADPD174，內含進行光學測量所需的全部元件。圖2為ADPD174子系統框圖。該模組尺寸為6.5毫米(mm)×2.8毫米，對於穿戴式系統極具吸引力。
圖2 ADPD174光學子系統框圖
該模組採用一個大型光電二極體、兩個綠色LED和一個IR LED。板載混合訊號特殊應用積體電路(ASIC)包括類比訊號處理模組、SAR型類比數位轉換器(ADC)、數位訊號處理模組、I2C通訊介面和三個可編程LED電流源。
系統驅動LED並使用其1.2平方毫米光電二極體測量相應的光學返回訊號。利用穿戴式裝置測量PPG面臨的最大挑戰就是克服環境光和運動產生偽像的干擾。環境光會對測量結果產生極大的影響。陽光並不是很難抑制，但是來自螢光燈和節能燈的特殊光包含交流分量，較難消除。
ADPD174光學模組具有兩級環境光照抑制功能。在光感測器和輸入放大器級後，整合帶通濾波器，後接同步解調器，可提供一流的抑制環境光和最高100kHz直流電干擾功能。ADC具有14位元解析度和最高255的脈衝值，共可獲得20位元測量解析度。而累加多個樣本，則可實現最高27位元的解析度。
例如，ADPD174以兩個獨立時隙運行，以測量兩個不同的波長並可按循序執行結果。在每個時隙期間，執行完整的訊號路徑，從LED激勵開始，然後擷取光訊號和處理資料。
每個電流源能夠驅動電流高達250毫安培(mA)的LED。創新的LED脈衝控制方式保持較低的平均功耗，在很大程度上有助於節省系統的功耗和電池壽命。
這種LED驅動電路的優點是，它是動態可擴展的。很多因素都會影響接收光學訊號的訊號雜訊(SNR)，如膚色或感測器與皮膚間的毛髮，這些都會影響接收端的靈敏度。因此，激勵LED配置非常方便，可用於建構自我調整系統。所有時序和同步都由類比前端處理，因此不會增加系統微處理器的任何開銷。
正常情況下，可使用ADPD174以約一毫瓦(mW)功率位準執行可靠的心率監測(HRM)。為了找到這個工作點，可以調諧跨阻放大器(TIA)的增益，並結合設定最大LED峰值電流。優化LED電流和TIA增益後，可增加LED脈衝的數量來擷取更多訊號。請注意，增加LED峰值電流即按比例增加SNR，而增加n倍脈衝數量，僅會導致n平方根(√n)的SNR改善。
找到心率裝置的最佳設置，在很大程度上也視用戶而定。使用者的膚色以及裝置位置、溫度和血液流動都會影響訊號強度。計算功耗時，光學前端可以看成兩個獨立的功率因素，IADPD和ILED。IADPD是輸入放大器級、ADC和數位狀態機消耗的電流。這些功率值在很大程度上取決於ADC的取樣速率。LED電流ILED將隨人體膚色和感測器在身體上位置而變化。對於深膚色，則需要更多的LED電流，當感測器位於身體血液流動少的位置時，也需要更多LED電流。平均LED電流隨LED驅動脈衝寬度、脈衝數量和ADC取樣時間變化。平均LED電流是最大LED電流乘以脈衝寬度和脈衝的數量。可將這視為一個時隙，每當獲得新樣本時重複一次。脈衝寬度可窄至1微秒(μs)。
若要在手腕上實現良好的心率監測，當使用兩個寬度為1微秒的脈衝時，LED峰值電流需要達到125毫安培(mA)。對於100Hz取樣頻率，平均LED驅動需要25微安培(μA)。當增加250微安培平均AFE電流時，光學前端消耗275μA(@3V = 825μW)。
其他機械挑戰
接著討論進行光學系統設計面對的其中一項挑戰：環境光干擾。另一個大難題是，在反射模式光學系統中解決內部光污染問題。在一個設計完美的系統中，LED發出的所有光都被發送至組織，且僅能看到反射光並由光感測器進行測量。但在現實中，LED燈光會被外殼上的透明窗反射，並在光路徑未穿透組織的情況下直接送回光感測器(圖3)。
圖3 內部光污染說明
這種ILP效應導致直流失調，並將限制訊號的交流分量，也稱為調變指數(MI)。實際上，MI是實驗中唯一須注意的訊號。ILP可透過分離透光窗解決，但是實現批量生產非常困難和昂貴。ADPD174可以解決這個問題，其具有特殊設計的外殼，無需分離外殼上的透明窗，即可減少ILP現象。圖4中顯示ADPD174與其前代產品相比，ILP減少和LED電流函數關係的改善情況，這是相較於市場上其他分立式或整合式裝置的另一優勢。
圖4 ADPD174 ILP影響與其前代產品
注意系統總功耗
在光學系統中，除了光照干擾，還需要消除運動造成的干擾。運動會影響穿戴式系統的總體性能，由於運動，機械連接或與組織的接觸狀態會改變，造成光學讀數誤差，因此測量裝置的運動並彌補干擾造成的影響是很重要的。
而超低功耗的ADXL362三軸MEM感測器完全支援這些需求，其感測器測量所有三軸並整合12位元SAR ADC，使靈敏度達到每個LSB只有1mg，並能夠透過數位序列式周邊介面(SPI)進行通訊。功耗與ADC取樣速率成比例，每軸資料輸出速率為100Hz，感測器功耗僅為1.8微安培。它可採用3毫米×3毫米封裝。繼ADXL362，新一代產品仍在開發中，僅使用ADXL362印刷電路板(PCB)面積的四分之一。
系統核心統籌一切
到目前為止，已經討論了建構監測心率和心率變化的穿戴式健康裝置所需的各種感測器。還缺的是系統核心，將所有這些感測器連接在一起，運行所需軟體演算法並儲存、視覺化或傳輸結果的部分，最新推出的ADuCM3027/ADuCM3029 Cortex-M3處理器能夠支援所有這些需求。它是一款超低功耗、混合訊號微控制器，在運行處理功能時，功耗低於38μA/MHz。該處理器具有最大26MHz的時脈頻率，能夠在四種不同的功率模式下運行(表1)。
混合訊號前端包括12位元SAR型ADC、基準電壓緩衝和溫度感測器。電路板上有128kB或256kB的板載快閃記憶體，4kB快取記憶體和64kB的靜態隨機存取記憶體(SRAM)。在防止未經授權使用者透過外部介面讀取裝置內容方面已經做出極大努力，這對於裝置製造商用於保護其代碼和演算法具有高度價值。最後，ADuCM302x可在1.8伏特到3.6伏特間的單操作電壓下運行，1.2伏特的核心電壓可由板載LDO或其更高效的開關電容降壓轉換器產生。
要將測量結果無線上傳至主機處理器，須要消耗系統大量電能。預處理測量結果將有助於減少需要傳輸的資料量，這能夠節省更多電能。
讓健康裝置自學
在前面的描述中，已經瞭解到感測器和混合訊號解決方案，重點關注在高性能和低功耗。利用這些晶片和子系統可以針對健康以及運動和保健市場需求創建相關裝置，這些裝置僅憑單顆鈕釦電池供電，即可運行很長時間。面對的挑戰始終是建構的系統要具有足夠高的性能，同時功耗盡可能低。自我調整演算法有助於提高整體性能，並找到有效的系統低功耗位置。每次使用裝置時，可以小幅更改設定，以達到最佳SNR性能和功耗量的相關心率監測精度。
(本文作者為亞德諾醫療健康業務開發經理)