随着可(kě)穿戴設備逐漸從(cóng)運動助手、娛樂工(gōng)具的産品定位升級到健康伴侶，具備PPG（光(guāng)電容積脈搏波描記法）測量心率（HR)、血氧飽和度（SpO2）及其他(tā)生(shēng)物計(jì)量指标，也成爲“剛需”功能。
因此，可(kě)穿戴設備面臨的挑戰：如(rú)何在終端應用整體(tǐ)方案的基礎上，設計(jì)出一款高精度、高可(kě)靠，甚至滿足臨床級的PPG測量方案？
此文将提供多種可(kě)穿戴設備的PPG測量方案設計(jì)，滿足終端客戶的設計(jì)需求。
通常來(lái)說(shuō)，PPG測量方案由光(guāng)發射器（發光(guāng)二極管，LED）、光(guāng)感應器（光(guāng)電二極管，PD）、模拟前端（AFE）芯片及加速計(jì)構成。PPG檢測即通過光(guāng)發射器将光(guāng)波照(zhào)進皮膚内部，再由光(guāng)感應器接收光(guāng)強變化，最後通過模拟前端芯片将模拟信号轉換成數字信号，進而獲取PPG原始信号。其間，加速計(jì)可(kě)測量人(rén)體(tǐ)運動狀态，與光(guāng)信号結合使用，可(kě)作(zuò)爲PPG算法輸入。在PPG檢測後期，可(kě)通過複雜的算法，處理(lǐ)來(lái)自(zì)模拟前端和加速計(jì)的原始信号，從(cóng)而生(shēng)成持續的運動容錯心率、血氧數據和其他(tā)生(shēng)物計(jì)量數據。
PPG的心率檢測原理(lǐ)：利用人(rén)體(tǐ)的血液容積會随着心髒律動呈搏動性變化，光(guāng)感應器接收的光(guāng)強也随之呈搏動性變化。通過PPG模拟前端（AFE）芯片調節，即可(kě)将光(guāng)強變化信号轉換爲電信号，由此計(jì)算心率值。
PPG的血氧飽和度檢測原理(lǐ)：利用氧中血紅(hóng)蛋白(bái)與脫氧血紅(hóng)蛋白(bái)對紅(hóng)光(guāng)（660nm）和紅(hóng)外光(guāng)（940nm）的吸收光(guāng)譜不同，測量氧和血紅(hóng)蛋白(bái)的濃度，即可(kě)提供可(kě)連續的動态血氧監測PPG信号。
PPG光(guāng)路(lù)結構和工(gōng)藝設計(jì)介紹
PPG檢測結果的精度與原始信号的質量和穩定性密切相(xiàng)關，而原始信号與PPG光(guāng)路(lù)結構設計(jì)密切相(xiàng)關。因此，擁有高品質的PPG光(guāng)路(lù)結構和工(gōng)藝設計(jì)，是可(kě)穿戴設備實現高精度PPG檢測功能的基礎。
PPG光(guāng)路(lù)結構設計(jì)，主要包括光(guāng)學小闆布局、光(guāng)窗(chuāng)設計(jì)和相(xiàng)關結構工(gōng)藝選擇等。其中，PD與LED透光(guāng)光(guāng)窗(chuāng)的光(guāng)路(lù)傳導路(lù)徑及結構疊層（LED沿手臂方向擺放(fàng)），如(rú)圖1所示：
圖1 可(kě)穿戴設備的PPG光(guāng)路(lù)方向示意圖需要注意的是，爲了保證靜(jìng)息、運動不同狀态下的心率檢測結果，PPG光(guāng)路(lù)結構設計(jì)要确保光(guāng)學窗(chuāng)口與皮膚緊密貼合、盡量減少環境光(guāng)幹擾，以及盡量減少發射光(guāng)未經檢測目标進入PD。
1 光(guāng)學小闆主要布局
通常來(lái)說(shuō)，PPG光(guāng)路(lù)布局中心（通常爲凸台中心）與可(kě)穿戴設備中心重合。用于測量心率的綠燈中心與PD中心間距（gd）建議(yì)3.8～4.5mm，推薦值3.8mm。用于測量血氧的紅(hóng)燈及紅(hóng)外燈中心與PD中心間距（rd）建議(yì)5.5～7.5mm，推薦值6.6mm。常見(jiàn)布局如(rú)下：十字形光(guāng)路(lù)布局：光(guāng)路(lù)布局中心位置對稱設計(jì)兩個三合一LED，PD均勻分(fēn)布在四周，見(jiàn)圖2所示。
圖2 十字形光(guāng)路(lù)（PD在四周）在産品應用方向示意圖
T字形光(guāng)路(lù)布局：光(guāng)路(lù)布局中心位置附近放(fàng)置PD，兩個綠燈LED沿表帶方向關于PD中心對稱分(fēn)布，血氧LED燈設計(jì)在兩個綠燈LED中心的中垂線上，見(jiàn)圖3所示。
圖3 T字形光(guāng)路(lù)（PD在四周）在産品應用方向示意圖
一字形光(guāng)路(lù)布局A：以PD中心和血氧燈光(guāng)學中心的連線中心作(zuò)爲光(guāng)路(lù)布局中心位置，沿表帶方向分(fēn)别設置PD、綠燈、血氧LED燈，見(jiàn)圖4所示。
圖4 一字形光(guāng)路(lù)（PD在邊上）在産品應用方向示意圖
一字形光(guāng)路(lù)布局B：以綠燈光(guāng)學中心和血氧燈光(guāng)學中心的連線中心作(zuò)爲光(guāng)路(lù)布局中心位置，綠燈和血氧LED燈沿表帶方向設置，PD放(fàng)在兩燈的中間位置，見(jiàn)圖5所示。圖5 一字形光(guāng)路(lù)（PD在中間）在産品應用方向示意圖
2 光(guāng)窗(chuāng)設計(jì)方案
通常來(lái)說(shuō)，光(guāng)窗(chuāng)設計(jì)方案有兩種：雙色模光(guāng)窗(chuāng)方案、絲印鏡片光(guāng)窗(chuāng)方案。雙色模光(guāng)窗(chuāng)方案設計(jì)：雙色模光(guāng)窗(chuāng)方案指采用雙色注塑工(gōng)藝，将透明光(guāng)窗(chuāng)部分(fēn)與不透光(guāng)殼體(tǐ)整體(tǐ)注塑成爲一體(tǐ)，見(jiàn)圖6所示。圖6 雙色模光(guāng)窗(chuāng)方案示意圖雙色模光(guāng)窗(chuāng)方案更能減少竄光(guāng)，結構也更穩定可(kě)靠，但(dàn)模具成本相(xiàng)對更高。絲印鏡片光(guāng)窗(chuāng)方案設計(jì)：絲印鏡片光(guāng)窗(chuāng)方案，指在殼體(tǐ)上面粘貼一片或多片鏡片，在鏡片底部把非透光(guāng)區域絲印一層黑(hēi)色油墨阻擋光(guāng)的傳遞，而光(guāng)穿過透光(guāng)區域（光(guāng)窗(chuāng)）則形成固定的光(guāng)路(lù)。結構示意圖如(rú)圖7所示。圖7 絲印鏡片光(guāng)窗(chuāng)方案示意圖因爲光(guāng)窗(chuāng)材質透明，爲減少光(guāng)線經過LED光(guāng)窗(chuāng)時直接傳導至PD光(guāng)窗(chuāng)，LED光(guāng)窗(chuāng)内表面建議(yì)做增透處理(lǐ)（如(rú)菲涅爾紋）提升光(guāng)效，PD光(guāng)窗(chuāng)内表面也可(kě)做菲涅爾紋聚光(guāng)增透處理(lǐ)。
即便有優秀的PPG方案結構和工(gōng)藝設計(jì)，要想系統性能獲得(de)最大(dà)發揮，仍有賴于高品質的模拟前端芯片的配合。芯海科(kē)技CS1262是一款專用于PPG信号采集的模拟前端（AFE）産品。該産品是第一款在技術(shù)上适配OpenHarmony生(shēng)态的“健康測量”傳感器芯片。該産品基于OpenHarmony系統環境下，能夠爲終端品牌産品提供全棧解決方案，可(kě)用于心率、血氧、血壓等健康指标的采集與分(fēn)析。當前，CS1262産品實測的關鍵性能指标達到業界一流水平，可(kě)與主流 AFE設計(jì)兼容，能夠爲客戶提供高配置、高精度測量、超強抗幹擾、低功耗、全膚色支持、高可(kě)靠及易用性等七大(dà)核心價值。未來(lái)還(hái)将與公司的BIA、ECG等健康測量産品，共同構建平台型産品建設。
