通过光电容积脉搏波监测技术实现光学体征信号监测
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。
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。
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。
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。
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。
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。
将 .mcs文件写入Quad SPI或Linear BPI闪存
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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。
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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。
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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。
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。
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。
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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。
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