隨著(zhu)可穿(chuan)戴(dai)設備逐漸從運動助手(shou)、娛樂(le)工具的產品定位升級到健康(kang)伴侶，具備PPG（光電(dian)容積脈搏(bo)波描記法）測量心率（HR)、血(xue)氧飽和(he)度(du)（SpO2）及其他生物計量指標，也成為“剛需”功能(neng)。
因此，可穿(chuan)戴設備(bei)面(mian)臨(lin)的(de)挑戰：如何在終端應用(yong)整體方案(an)的(de)基礎上，設計出一款高精度、高可靠，甚至(zhi)滿(man)足臨(lin)床級的(de)PPG測量(liang)方案(an)？
此(ci)文將(jiang)提供多(duo)種可(ke)穿戴設備的PPG測量方(fang)案設計(ji)，滿足終端客(ke)戶的設計(ji)需求。
通常來說，PPG測量(liang)方案由光發射器（發光二(er)極(ji)管，LED）、光感應器（光電二(er)極(ji)管，PD）、模擬前端（AFE）芯片及加(jia)速計(ji)構成。PPG檢測即(ji)通(tong)過光發射器(qi)將(jiang)光波(bo)照(zhao)進(jin)皮膚內部，再由光感應器(qi)接收(shou)光強變化，最后(hou)通(tong)過模擬(ni)前端(duan)芯片將(jiang)模擬(ni)信號轉換(huan)成數字信號，進(jin)而獲(huo)取PPG原始信號。其間，加速計可測量人體運動(dong)狀態，與光信號結合使(shi)用(yong)，可作為PPG算(suan)法輸入。在PPG檢測后期(qi)，可通過復(fu)雜的(de)算法，處理(li)來自模擬前端和(he)加速計的(de)原(yuan)始信(xin)號，從而生(sheng)成持續的(de)運動容(rong)錯心率(lv)、血氧數(shu)據和(he)其他生(sheng)物計量數(shu)據。
PPG的心(xin)率檢測(ce)原理(li)：利用人體的血液容積會隨(sui)著心(xin)臟(zang)律動呈(cheng)搏(bo)動性變(bian)(bian)化，光感應器(qi)接收的光強也隨(sui)之呈(cheng)搏(bo)動性變(bian)(bian)化。通過PPG模擬前端（AFE）芯片(pian)調節(jie)，即可將光強變(bian)(bian)化信號轉換為電信號，由此(ci)計算心(xin)率值。
PPG的血(xue)氧(yang)(yang)飽和度檢測原理：利用氧(yang)(yang)中血(xue)紅(hong)蛋(dan)(dan)白(bai)與脫氧(yang)(yang)血(xue)紅(hong)蛋(dan)(dan)白(bai)對紅(hong)光（660nm）和紅(hong)外光（940nm）的吸收光譜不同，測量氧(yang)(yang)和血(xue)紅(hong)蛋(dan)(dan)白(bai)的濃(nong)度，即(ji)可(ke)(ke)提供(gong)可(ke)(ke)連續(xu)的動態血(xue)氧(yang)(yang)監(jian)測PPG信號。
PPG檢測(ce)結果的(de)(de)精度(du)與原(yuan)始信號的(de)(de)質(zhi)量和(he)穩(wen)定性密(mi)(mi)切相關，而原(yuan)始信號與PPG光(guang)路結構(gou)設計(ji)密(mi)(mi)切相關。因(yin)此，擁有(you)高品質(zhi)的(de)(de)PPG光(guang)路結構(gou)和(he)工藝設計(ji)，是可穿(chuan)戴(dai)設備實現(xian)高精度(du)PPG檢測(ce)功能的(de)(de)基礎。
PPG光(guang)路(lu)結構(gou)設計(ji)，主(zhu)要(yao)包(bao)括光(guang)學小板布(bu)局、光(guang)窗(chuang)設計(ji)和相(xiang)關(guan)結構(gou)工藝選擇等。其中(zhong)，PD與LED透光(guang)光(guang)窗(chuang)的光(guang)路(lu)傳導路(lu)徑及結構(gou)疊(die)層（LED沿手臂方(fang)向擺放(fang)），如(ru)圖1所(suo)示：
圖1 可(ke)穿戴設(she)備的PPG光(guang)路方向示意(yi)圖需要注(zhu)意的是，為了(le)保證靜息、運動(dong)不同狀態下的心(xin)率檢(jian)(jian)測(ce)結(jie)果，PPG光路(lu)結(jie)構設計(ji)要確保光學窗口(kou)與皮(pi)膚(fu)緊密(mi)貼合、盡量(liang)減少環境光干擾(rao)，以(yi)及(ji)盡量(liang)減少發射光未(wei)經檢(jian)(jian)測(ce)目(mu)標進入PD。
1 光學小板(ban)主要(yao)布局(ju)
通(tong)常來說(shuo)，PPG光路(lu)布局(ju)中心(xin)（通(tong)常為(wei)凸臺(tai)中心(xin)）與(yu)可穿戴設備中心(xin)重合。用(yong)于(yu)測量心(xin)率的綠燈(deng)中心(xin)與(yu)PD中心(xin)間距（gd）建議3.8～4.5mm，推(tui)(tui)薦值3.8mm。用(yong)于(yu)測量血氧的紅燈(deng)及(ji)紅外燈(deng)中心(xin)與(yu)PD中心(xin)間距（rd）建議5.5～7.5mm，推(tui)(tui)薦值6.6mm。常見布局(ju)如下：十字(zi)形光路布局(ju)：光路布局中心位置對稱設計兩個(ge)三合一LED，PD均勻分布在四周，見圖2所示。
圖(tu)2 十字形光(guang)路（PD在(zai)四(si)周）在(zai)產品應用方(fang)向示(shi)意圖(tu)
T字形光路布局：光路布局中心位置附近放置PD，兩個綠燈LED沿表帶方向關于PD中心對稱分布，血氧LED燈設計在兩個綠燈LED中心的中垂線上，見圖3所示。
圖(tu)3 T字形光路（PD在四(si)周）在產品(pin)應用方向示意圖(tu)
一字形光路布局A：以PD中(zhong)心(xin)和血(xue)(xue)氧(yang)(yang)燈光(guang)學中(zhong)心(xin)的連線中(zhong)心(xin)作(zuo)為光(guang)路布(bu)局中(zhong)心(xin)位置，沿(yan)表帶方向分別設(she)置PD、綠燈、血(xue)(xue)氧(yang)(yang)LED燈，見圖4所示。
圖4 一(yi)字形光路（PD在邊上）在產品應用方向示意圖
一字形光路(lu)布(bu)局B：以綠燈光學中心和血氧燈光學中心的連線中心作為光路布局中心位置，綠燈和血氧LED燈沿表帶方向設置，PD放在兩(liang)燈的中間位置，見圖5所示。圖(tu)5 一字形光路（PD在中間）在產品應用(yong)方向示意圖(tu)
2 光窗(chuang)設計方案
通(tong)常來說，光窗(chuang)設計方(fang)案有(you)兩種：雙色模光窗(chuang)方(fang)案、絲印鏡片(pian)光窗(chuang)方(fang)案。雙(shuang)色模光窗方案(an)設計：雙色模(mo)光(guang)窗方案指采用雙色注塑工(gong)藝，將透(tou)明(ming)光(guang)窗部分與不透(tou)光(guang)殼體整體注塑成為(wei)一體，見圖(tu)6所示。雙色模光窗方案更能減少竄光，結構(gou)也更穩定可靠(kao)，但模具成(cheng)本相對更高。絲印鏡片光窗方案設計：絲(si)印(yin)鏡片光(guang)(guang)(guang)窗方案，指在(zai)殼體(ti)上面粘貼(tie)一片或多片鏡片，在(zai)鏡片底部把非(fei)透(tou)光(guang)(guang)(guang)區(qu)域絲(si)印(yin)一層黑色(se)油墨(mo)阻擋光(guang)(guang)(guang)的傳遞，而光(guang)(guang)(guang)穿過(guo)透(tou)光(guang)(guang)(guang)區(qu)域（光(guang)(guang)(guang)窗）則形成固(gu)定的光(guang)(guang)(guang)路。結(jie)構示意圖如圖7所示。圖7 絲印(yin)鏡片(pian)光(guang)窗方案示意圖因為(wei)光(guang)窗材質透(tou)明，為(wei)減少(shao)光(guang)線經過LED光(guang)窗時直接(jie)傳導至PD光(guang)窗，LED光(guang)窗內表面建(jian)議做(zuo)增(zeng)透(tou)處(chu)理（如菲涅(nie)(nie)爾(er)紋）提升光(guang)效，PD光(guang)窗內表面也可做(zuo)菲涅(nie)(nie)爾(er)紋聚(ju)光(guang)增(zeng)透(tou)處(chu)理。
即便有優秀的PPG方案結構和(he)工藝設計，要想(xiang)系(xi)統(tong)性(xing)能(neng)獲得(de)最大(da)發揮，仍有賴于高品(pin)質的模(mo)擬(ni)前端(duan)芯片的配合。芯(xin)海(hai)科技(ji)CS1262是一款專(zhuan)用(yong)于PPG信號采集的(de)模擬前端（AFE）產品(pin)。該(gai)產品(pin)是第(di)一款在(zai)技(ji)術上(shang)適配OpenHarmony生(sheng)態的(de)“健康測量”傳感器芯(xin)片(pian)。該(gai)產品(pin)基(ji)于OpenHarmony系(xi)統環境下(xia)，能夠為終端品(pin)牌產品(pin)提(ti)供全棧(zhan)解決方案，可(ke)用(yong)于心率、血(xue)氧(yang)、血(xue)壓等健康指標(biao)的(de)采集與分析。當前，CS1262產品實測的關(guan)鍵性能指標達到業界一流水平，可(ke)與主流 AFE設計兼容，能夠(gou)為客戶(hu)提供高配置、高精(jing)度(du)測量、超強(qiang)抗干擾、低功(gong)耗、全膚色支持、高可(ke)靠(kao)及(ji)易用性等七大核心(xin)價值。未來還將與(yu)公(gong)司(si)的BIA、ECG等健康測量產品，共(gong)同構建平臺型產品建設(she)。
