心率、血氧监测已成智能手表标配功能，PPG测量挑战如何突破

电子发烧友网报道（文/莫婷婷）智能手表、智能手环的健康监测功能越来越丰富，其中心率监测方案通常采用的是光电容积脉搏波技术(PPG)进行测量。在近几年的迭代过程中，PPG技术已经越来越成熟，当然也存在不少测量挑战亟需突破。
 
PPG测量脉搏的原理是什么

PPG是通过光测量脉搏。手腕处流通的血液脉搏引起动脉周期性的舒张和收缩，造成血液体积变化，LED的光照射到皮肤的真皮和皮下组织会被反射回来，经过光敏传感器接收并转换成电信号，最终经过AD转换成数字信号，由此捕捉脉搏波信息。
 
汇顶科技健康与光线传感器产品线总监程树青表示，PPG测量有两个重要的参数。一个是血流灌注指数PI，一般PI能够达到0.2%到10%，但应用于外部的反射式PI通常会比透射式弱很多，因此测量难度也更大。
 
另一个是CTR，衡量的是LED的驱动电流和PD接收到的电流比值。它受到LED的发光效率，PD的光电转换效率以及LED和PD之间的距离等诸多因素影响。通常而言CTR的设计越高，意味着转换效率越高，对测量的性能和降低功耗更有帮助。
 

图源：汇顶科技

 
为了获得最佳的PPG信号，LED灯通常选择530nm波长的绿光作为测量光源，其PI值最高。在一些信号较好的测量位置，也可以选择红外作为测量的光源。
 
智能手表的血氧监测同样也是基于PPG技术，与心率监测不同的是，无创血氧测量需要借助PPG-红光和PPG-红外两种不同颜色的光。
 
 
可穿戴设备上PPG测量的挑战

程树青表示，虽然PPG属于比较成熟的技术，然而在智能穿戴设备上的准确性一直难以让人满意，另一方面，降低功耗也一直是工程师们追求的目标。
 
具体来看，可穿戴设备面临的PPG测量挑战包括不同肤色、人体组织厚度等PPG信号差异大、不同光的皮肤穿透深度差异大、环境光变化大、运动伪影等。“其中运动伪影是最难的点，用户日常活动的场景复杂，频率范围覆盖广，其中同频干扰是最难处理的。”他提到。
 
为了解决上述问题，汇顶科技推出了能够提升血氧检测准确度及降低功耗的传感器产品，包括GH3300和GH3030系列等。据了解，汇顶科技的血氧监测方案已经应用到小米 Watch S1 Pro、小米手环7 Pro以及小天才Z8等产品上，此外，小天才Z9也搭载了汇顶科技的健康传感器，能够实现心率、血氧监测功能。那么，汇顶科技的健康传感器是如何提升PPG测量精度的呢？
 
根据介绍，汇顶科技的传感器产品有着高性能PPG接收通道，能够兼顾功耗性能，极低的输入等效噪声，挑战极限PI下的测量信号；极高的SNR，让信号质量和LED驱动之间有了更加灵活的选择；通过AGC预采样控制，能够TIA增益误差，从而准确地计算出不同增益下的信号值，提高准确度。
 
此外丰富的PPG发射接收通道同样能提升PPG测量的准确性。程树青介绍，在发送方面，汇顶科技的GH33XX和GH3030系列产品支持最高16路LED灯，可同时驱动四路单200毫安驱动能力。接收方面，四路ADC通道，单端模式多达8路通道，以节省LED功耗。
 
除了硬件上的迭代，可穿戴设备需要应用到的VSM算法也在不断迭代。据了解，汇顶科技的VSM算法产品中心率、血氧算法均使用深度学习模型。相比传统特征提取拟合初值，具备更强的拟合能力和更高的预测准确率。“以血氧算法为例，首先对红光红外的数据进行数据滤波、降噪等预处理，然后使用卷积神经网络等模型进行特征提取，最终得到血氧值。”