不打折扣的光学集成
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图1.光学HRM/HRV*的典型框图由于大部分用户更重视传感器舒适度,而不是性能,所以反射测量方法更受欢迎。所以,本文只介绍反射测量技术。心脏跳动期间,心脏*中的血流量发生变化,导致接收到的反射光发生散射。用于测量光学HRM/HRV的光源的波长不止取决于人体测量点,还取决于相对灌注水平,以及组织的温度和色调。一般,对于腕戴式设备,动脉不位于手腕顶端,您需要从皮肤表层下的静脉和毛细血管来检测脉动分量。在这种情况下,绿色光表示最佳结果。在有足够血液流动的位置,例如上臂、太阳穴或耳道,使用红色光或*光可能更有效,它们可以更深入地穿透组织,给出更强劲的接收信号。ADPD游戏规则正在改变?在权衡考虑时,如传感器位置和LED波长,您需要选择最合适的光学解决方案。关于模拟前端有很多选择,可以选择分立式或全集成式,也提供大量光电探测器和LED可供选择。关键在于发射器和*的放置方式有利于每毫安发射电流获取最大量的接收信号。这就是所谓的电流传输比,通常用nA/mA表示。在光学*中,调制指数同样重要,它是交流信号相对于光学直流偏置的量。增大光传感器和LED之间的距离时,调制指数增大。在光电探测器和LED之间存在一个最佳点,这也取决于LED波长。在设计不当的机械*中,LED光可以*透人体组织,直接到达光传感器。这会导致直流偏置,对调制指数产生不利影响。它表现为光串扰,也称为内部光污染(ILP)。为最大程度减轻设计工作量并缩短上市时间,特别是对于缺乏光学知识的公司,ADI公司构建了全集成式光学子*,用于反射测量。即ADPDGG,内*行光学测量所需的全部器件。图2所示为此模块的照片。图2.ADPDGG光学子*ADPDGG是一种全新设计的光学模块,与前代模块相比尺寸不同。其外形几乎呈方形,尺寸为3.mmx5.0mm,总体厚度为0.9mm。改动最大的部分是光电探测器,与前代产品相比,方向旋转了°。相对于LED,这种传感器位置可以提供更高的灵敏度。光传感器本身分为0.4mm2和0.8mm2。这提供了灵活性,可以增加整体光二极管表面,以实现更高灵敏度,或者可以使用更小巧的*来防止传感器达到饱和。光电二极管被放置在模拟前端上面。ADI正在使用*的ADPDAFE。它有4个输入通道,每个通道都围绕具备可选增益(k、k、k和k)的互阻放大器、环境光抑制块和一个位SARADC设计。环境光抑制在模拟域完成,相比市面上的其他解决方案,性能更为出色。最后,两个绿色LED受集成电流源管控,能够驱动高达mA的电流和1μs窄脉冲,以降低总体的平均电流。封装设计使得发射的LED光在*透人体组织的情况下,很难到达光传感器。这可以防止出现光串扰,为用户提供最佳调制指数,即使传感器放置在玻璃或塑料窗口之下。设计光学反射*时,这个特性非常有用。对于更适合采用发射测量的应用,ADPDGG可以绕过内部LED,与外部连接的LED配合使用。与成熟解决方案比较在开始新光学设计之前,需要先确定目标市场,以及最终产品所需的规格,这非常重要。一般来说,相对于用于体育和保健市场的设备,具有医疗级性能的光学*规格更高。ADPD是一种模拟光学前端,适用于分立式光学*。在市面光学前端中,它被视为典范产品,凭借出色性能广泛用于多种医疗产品中。DataSenseLabsLtd.具备与ADPD相关的丰富经验。但是,由于全集成式光学模块在某些用例中具备一定优势,所以DataSenseLabsLtd.开始研究这些模块并进行比较分析,比较ADPD与ADPDGG集成光学模块之间的性能。接下来,我们将详细介绍测试设置、配置和测试结果。测试设置和数据收集为了实施光学比较,我们在2分钟时间里,同时记录ADPDGG和ADPD的原始PPG读数。设置ADPDGG时,使用了标准评估板,而ADPD是可穿戴演示平台(EVAL-HCRWATCH)内部的光学*的组成部分。两种*都由ADI公司的用户界面应用wavetool软件控制。为了实施测试,对配置设置实施优化,以获得最高的信号质量。我们保留了AFE配置,包括将LED脉冲、时序和互阻增益保持在特定范围,令两种*保持相同的功耗,以进行公平的比较(参见表1)。表1.ADPDGG和典范产品ADPD之间的光学模块比较表1显示ADPDGGLED电流,其数量高达ADPD设置中LED电流的2倍。原因在于,集成解决方案的光电二极管表面小于分立式解决方案的表面,必须进行补偿。采用两个由3V电源供电的LED会令整体功耗增加μW,与整体功耗相比,几乎可以忽略不计。我们按Hz速率对ADC采样,这在可穿戴*中非常常见。此外,我们按Hz采样速率进行测量,该值常用于具备临床性能的*。数据记录环境与常规智能手表或健身*所处的环境相同,只是光学传感器位于手腕上方。由于惯用手和非惯用手皮下层的微循环和血管收缩特性稍有不同,所以两个光学*会反复记录两只手腕的数据。然后仔细分析和比较从左右手腕收集的数据集,以避免因为放置位置对信号质量产生影响。PPG数据集来源于位不同的用户(受试者),这些用户都保持坐姿,处于相同的环境光密度条件下。数据分析和统计采用比较方法非常重要,因为信号质量验证不止意味着要进行硬科学信号处理、数据分析和统计,还要分析市场和最终用户的期望要求。要在可穿戴市场获得成功,您需要采用定义明确的案例,并且清楚知道通过光学信号想要获得什么样的结果。光学心率监测器与健身*和健康状况监测应用密切相连,但也有许多将光学技术用于医疗级*的使用案例。在健身、卫生信息学或与医疗相关的使用案例中,峰值检测算法的精度主要取决于原始数据质量,与PPG信号的局部极大值相关。准确的峰值检测不仅是实施心率或HRV测量的原则,在实施基于PPG血压的估算检测时也极为重要。所以,如果最终提取和计算的PPG信号要用于支持健康类应用,那么设计人员必须选择提供最佳物理信号质量的传感器平台。比较测量配置和数据分析基于JánosPálhalmi的生物信号计量专利(待决ID:P)设计和施行。1最终结果为了支持峰值检测算法,可以轻松提取和过滤PPG原始数据中的基线波动。同时,如上所述,要提取目标结果,需要峰值在原始数据级别也具备高信号质量。因此,本文重点关注主要频段比较分析,目标是由典范产品ADPD和新集成的ADPDGG光学模块测量的PPG信号峰值。信号的主要部分未改动,但非常缓慢的基线波动(<0.Hz)和高频分量(>Hz)已过滤。
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