随着可穿戴设备@@@@逐渐从运动助手@@、娱乐工具的产品@@定位升级到健康伴侣@@，具备@@@@PPG（光电容积脉搏波描记法@@）测量心率@@（HR)、血氧@@饱和度@@（SpO2）及其他生物计量指标@@，也成为@@“刚需@@”功能@@。
因此@@，可穿戴设备@@@@面临的挑战@@：如何在@@终端应用整体方案的基础上@@，设计出一款高精度@@、高可靠@@，甚至满足临床级的@@PPG测量方案@@？
此文将提供多种可穿戴设备@@@@的@@@@PPG测量方案@@设计@@，满足终端客户的设计需求@@。
PPG的心率@@、血氧@@测量原理@@
通常来说@@，PPG测量方案@@由光发射器@@（发光二极管@@，LED）、光感应器@@（光电二极管@@，PD）、模拟前端@@（AFE）芯片及加速计构成@@。
PPG检测即通过@@光发射器将光波照进皮肤内部@@，再由光感应器@@接收光强变化@@，最后通过@@模拟前端@@芯片将模拟信号@@转换成数字信号@@@@，进而获取@@PPG原始信号@@@@。其间@@，加速计可测量人体运动状态@@，与@@光信号@@结合使用@@，可作为@@PPG算法输入@@。
在@@PPG检测后期@@，可通过@@复杂的算法@@，处理来自模拟前端@@和加速计的原始信号@@@@@@，从而生成持续的运动容错心率@@、血氧@@数据和其他生物计量数据@@。
PPG的心率@@检测原理@@：利用人体的血液容积会随着心脏律动呈搏动性变化@@，光感应器@@接收的光强也随之呈搏动性变化@@。通过@@PPG模拟前端@@（AFE）芯片调节@@，即可将光强变化信号@@转换为电信号@@@@，由此计算心率值@@。
PPG的血氧@@饱和度@@检测原理@@：利用氧中血红蛋白与@@脱氧血红蛋白对红光@@（660nm）和红外光@@（940nm）的吸收光谱不同@@，测量氧和血红蛋白的浓度@@，即可提供可连续的动态血氧@@监测@@PPG信号@@。
PPG光路结构和工艺设计@@介绍@@
PPG检测结果的精度与@@原始信号@@@@的质量和稳定性密切相关@@，而原始信号@@@@与@@@@PPG光路结构设计@@密切相关@@。因此@@，拥有高品质的@@PPG光路结构和工艺设计@@，是可穿戴设备@@@@实现高精度@@PPG检测功能@@的基础@@。
PPG光路结构设计@@，主要包括光学小板布局@@、光窗@@设计和相关结构工艺选择等@@。其中@@，PD与@@LED透光光窗@@的光路传导路径及结构叠层@@（LED沿手臂方向摆放@@），如图@@@@1所示@@：
图@@1 可穿戴设备@@@@的@@PPG光路方向示意图@@@@
需要注意的是@@，为了保证静息@@、运动不同状态下的心率@@检测结果@@，PPG光路结构设计@@要确保光学窗口与@@皮肤紧密贴合@@、尽量减少环境光干扰@@，以@@及尽量减少发射光未经检测目标进入@@PD。
1. 光学小板主要布局@@
通常来说@@，PPG光路布局中心@@（通常为凸台中心@@）与@@可穿戴设备@@@@中心重合@@。用于测量心率@@的绿灯@@@@中心与@@@@PD中心间距@@（gd）建议@@3.8～4.5mm，推荐值@@3.8mm。用于测量血氧@@的红灯@@及红外灯@@中心与@@@@PD中心间距@@（rd）建议@@5.5～7.5mm，推荐值@@6.6mm。常见布局如下@@：
十字形光路@@@@布局@@@@：光路布局中心@@位置对称设计两个三合一@@LED，PD均匀分布在@@四周@@@@，见图@@@@2所示@@。
图@@2 十字形光路@@@@（PD在@@四周@@）在@@产品@@应用方向示意图@@@@
T字形光路@@布局@@：光路布局中心@@位置附近放置@@PD，两个绿灯@@@@@@LED沿表带方向关于@@PD中心对称分布@@，血氧@@LED灯@@设计在@@两个绿灯@@@@@@@@LED中心的中垂线上@@，见图@@@@3所示@@。
图@@3 T字形光路@@（PD在@@四周@@）在@@产品@@应用方向示意图@@@@
一字形光路@@@@布局@@@@A：以@@PD中心和血氧@@灯@@光学中心的连线中心作为光路布局中心@@位置@@，沿表带方向分别设置@@PD、绿灯@@@@、血氧@@LED灯@@，见图@@@@4所示@@。
图@@4 一字形光路@@@@（PD在@@边上@@）在@@产品@@应用方向示意图@@@@
一字形光路@@@@布局@@@@B：以@@绿灯@@@@光学中心和血氧@@灯@@光学中心的连线中心作为光路布局中心@@位置@@@@，绿灯@@@@和血氧@@@@LED灯@@沿表带方向设置@@，PD放在@@两灯@@的中间位置@@，见图@@@@5所示@@。
图@@5 一字形光路@@@@（PD在@@中间@@）在@@产品@@应用方向示意图@@@@
2. 光窗@@设计方案@@
通常来说@@，光窗@@设计方案@@有两种@@：双色模光窗@@方案@@、丝印镜片光窗@@方案@@。
双色模光窗@@方案@@设计@@：双色模光窗@@方案@@指采用双色注塑工艺@@，将透明光窗@@部分与@@不透光壳体整体注塑成为一体@@，见图@@@@6所示@@。
图@@6 双色模光窗@@方案@@示意图@@@@
双色模光窗@@方案@@更能减少窜光@@，结构也更稳定可靠@@，但模具成本相对更高@@。
丝印镜片光窗@@方案@@设计@@：丝印镜片光窗@@方案@@，指在@@壳体上面粘贴一片或@@多片镜片@@，在@@镜片底部把非透光区域丝印一层黑色油墨阻挡光的传递@@，而光穿过透光区域@@（光窗@@）则形成固定的光路@@。结构示意图@@如图@@@@@@7所示@@。
图@@7 丝印镜片光窗@@方案@@示意图@@@@
因为光窗@@材质透明@@，为减少光线经过@@LED光窗@@时直接传导至@@PD光窗@@，LED光窗@@内表面建议@@做增透处理@@（如菲涅尔纹@@）提升光效@@，PD光窗@@内表面也可做菲涅尔纹聚光增透处理@@。
结语@@
即便有优秀的@@PPG方案结构和工艺设计@@，要想系统性能获得最大发挥@@，仍有赖于高品质的模拟前端@@芯片的配合@@。
芯海科技@@CS1262是一款专用于@@PPG信号@@采集的模拟前端@@@@（AFE）产品@@。该产品@@是第一款在@@技术@@上适配@@OpenHarmony生态的@@“健康测量@@”传感器芯片@@。该产品@@基于@@OpenHarmony系统环境下@@，能够为终端品牌产品@@提供全栈解决方案@@，可用于心率@@、血氧@@、血压等健康指标的采集与@@分析@@。
当前@@，CS1262产品@@实测的关键性能指标达到业界一流水平@@，可与@@主流@@ AFE设计兼容@@，能够为客户提供高配置@@、高精度测量@@、超强抗干扰@@、低功耗@@、全肤色支持@@、高可靠@@及易用性等七大核心价值@@。
未来还将与@@公司的@@BIA、ECG等健康测量@@产品@@@@，共同构建平台型产品@@建设@@。