高整合解決方案簡化設計　穿戴式心率監測實作不難

設計與實現一個光學心率監測(HRM)系統(又稱光體積變化描記圖法，簡稱PPG)是一項複雜、涉及多個領域的專案。設計要素包括人體工程學、訊號的處理與過濾、光學和機械設計、低雜訊訊號接收電路，以及產生低雜訊脈衝電流。

越來越多穿戴式電子產品製造商在健康與健身產品新增心率監測功能，整合化也幫助降低心率監測應用中感測器的成本。目前許多心率監測感測器都在其高度整合的模組中組合了一些分離式元件，如類比前端(AFE)、光電檢測器和發光二極體等。這些模組可便捷的實現在穿戴式產品新增心率監測功能，並降低其成本和複雜性。

穿戴式產品的外觀形態也在逐漸改變。胸帶型HRM已在健康與健身市場有效運用多年，心率監測HRM現在正在進入到各種腕戴式產品中。光學感測技術與高性能、低功耗處理器等方面的技術進步，使這種腕戴式外形可適用於許多設計；心率監測演算法的精密度也已到達可被腕戴式產品採用的水準。其它新的穿戴式感測也在不同外觀形態和位置出現，例如頭帶、運動服飾、以及耳塞等。但主要的穿戴式生理指標監測仍是在腕戴式產品中實現。

沒有兩種心率監測應用是完全相同的，系統開發人員必須全盤考慮許多設計：如產品的舒適性、感測的精度、系統成本、功耗、陽光影響、處理許多皮膚類型、運動影響、開發時間和實體大小等等。所有這些設計因素都影響系統整合的選擇，無論是採用高整合度模組解決方案或是採用更多分離元件的架構。

圖1展示了心率訊號的基本測量方法，其依賴於用光學方法從人體組織上提取的心率壓力波。此圖說明了光進入皮膚後的行進路徑：心率壓力波所引起的毛細血管舒張和收縮運動對進入人體組織的綠色LED光訊號進行了調變。通過皮膚的路徑會使得接收的訊號大幅衰減，光電二極體獲取訊號後發送到系統進行處理，監測由脈搏引起的振幅調變訊號(濾除運動雜訊)，再分析和顯示。

心率監測系統設計基本原理

心率監測系統設計的基本方法是採用現有的微控制器(MCU)搭配客製編程，用以控制外部LED驅動器的脈衝訊號，並同時讀取分離的光電二極體上的電流輸出。值得注意的是，光電二極體的電流輸出必須轉換為電壓以驅動類比/數位轉換(A/D)模塊，已知電壓轉換器在光電二極體電流為0時產生一個等於VREF的電壓並隨著電流增加，電壓將下降。

心率系統中使用的脈衝電流通常介於2mA到300mA之間，具體數值取決於受測者的膚色和預期抵抗光照強度影響的訊號。陽光中的紅外線(IR)輻射進入皮膚組織時的衰減很小，而綠光LED的光線並不能覆蓋預期的訊號，除非綠光非常強烈，或是添加昂貴的抗紅外線干擾濾波器。

一般來說，穿透皮膚的綠色LED光線強度是陽光強度的0.1倍到3倍。由於皮膚組織造成嚴重的衰減作用，抵達光感測器的訊號非常微弱，僅剛好能產生70-100dB合理訊號雜訊比(SNR)的最低電流，即便使用完美的無雜訊運算放大器和A/D轉換器，也會出現散粒雜訊(光子打在感光元件上所形成的雜訊)。

這種散粒雜訊的原因是在每25Hz量測時會接收到有限的電子數量，設計中所採用的光電二極體尺寸約在0.1mm2到7mm2之間。然而，當它大於1mm時便會受到陽光的影響，出現不確定的返回值。在光學心率監測系統中，功能模組設計複雜又昂貴，例如快速驅動LED的高電壓/電流轉換器、光感測器中的電流/電壓轉換器，以及能夠可靠運行演算的MCU，在主機的控制下進行脈衝序列。一個300mA的低雜訊驅動LED，可被設定至最低2mA的微弱電流，並產生窄至10μs的雜訊脈衝，這在離散式運算放大器的成本裡相當高昂。從圖2中可看出，10μs的窄光脈衝便足以支持系統忍受動作和陽光照射。通常在LED關閉與啟動時各進行一次感測光訊號，取樣頻率25Hz，兩次感測計算出的差值可避免環境光的影響，以測量出期望的原始光學訊號，更重要的是，它對閃爍的背景光並不敏感。

短光脈衝必須藉由相對強烈的光脈衝才能產生，必須保持比陽光更高的亮度，使PPG訊號載波不被陽光訊號影響。如果陽光訊號大於PPG載波，儘管其能透過減法被消除，但如光影改變(譬如手臂擺動)而產生的偽外部訊號，則會造成難以消除的雜訊。因此，對於採用低電流驅動LED和大型光感測器進行補償的心率監測系統，在明亮的光線條件下嚴重受到運動偽影的影響。

高整合解決方案簡化設計

事實上，大部分心率監測系統必備的感測功能，皆能透過預先設計並整合到單一元件之中，將多數功能封裝於單一晶片，封裝尺寸可縮小至3mm×3mm，甚至能將光電二極體也整合於其中。

圖3以Silicon Labs的Si118x光學感測器的電路原理為例，這種心率監測系統相對容易設計。工程師設計時只須專注在光學部分，其中包括電路板元件之間的光學阻擋，以及系統和皮膚的光學耦合。雖然圖3所示的方法可以實現高性能的HRM解決方案，但它並不像某些設計人員所希望的那麼小或功率效率高。為了實現更小的解決方案，LED和控制晶片必須整合至單個封裝中，該封裝包含所有基本功能，包括光學阻擋和改善LED輸出的透鏡。

圖4顯示了更高整合度的解決方案。這種心率監測設計不須增加額外的LED，因為LED和光感測器都整合在模組內部，能夠直接安裝於穿戴式產品(如智慧手表)背後的光學端口之下。這種方法縮短了LED與光感測器之間的距離，更優於分離式設計，由於穿透皮膚時的光損失更低，在極低功耗下也能運作。

LED整合也解決了LED與光感測器之間的漏光問題，設計人員不需要在印刷電路板(PCB)上添加光阻。若不採用這種方法，則是用塑膠或泡棉與印刷電路板上的特別銅層來處理隔離。

演算法提升心率監測精準度

使用者在運動或一般動作時皆會干擾訊號，主機處理器上的軟體區塊設計相當複雜。終端用戶經常會因為自身動作而產生假的心率訊號，有時被誤判為心率脈動。若穿戴式產品的開發人員或製造商沒有資源開發演算方法，便須透過外部供應商授權使用軟體。因此市面上許多的光學感測器，同時也會提供心率演算法，可於編譯後運行在大多數處理器上。

設計人員主導了心率監測應用的整合程度，採用經過授權的演算法，可直接套用高度整合的模組化方案，以簡化設計程序並加快產品上市時間。若開發人員若對光學感測相當熟悉，時間與資源也足夠充裕，則可選擇使用單獨的分離元件來設計個人化的整合系統，甚至還可以開發專用的心率監測演算法。

(本文作者任職於芯科科技)