隨著可穿戴設備逐漸從運動助手、娛樂工具的產(chǎn)品定位升級到健康伴侶，具備PPG（光電容積脈搏波描記法）測量心率（HR)、血氧飽和度（SpO2）及其他生物計量指標，也成為“剛需”功能。

因此，可穿戴設備面臨的挑戰(zhàn)：如何在終端應用整體方案的基礎上，設計出一款高精度、高可靠，甚至滿足臨床級的PPG測量方案？

此文將提供多種可穿戴設備的PPG測量方案設計，滿足終端客戶的設計需求。

PPG的心率、血氧測量原理

通常來說，PPG測量方案由光發(fā)射器（發(fā)光二極管，LED）、光感應器（光電二極管，PD）、模擬前端（AFE）芯片及加速計構成。

PPG檢測即通過光發(fā)射器將光波照進皮膚內(nèi)部，再由光感應器接收光強變化，最后通過模擬前端芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進而獲取PPG原始信號。其間，加速計可測量人體運動狀態(tài)，與光信號結合使用，可作為PPG算法輸入。

在PPG檢測后期，可通過復雜的算法，處理來自模擬前端和加速計的原始信號，從而生成持續(xù)的運動容錯心率、血氧數(shù)據(jù)和其他生物計量數(shù)據(jù)。

PPG的心率檢測原理：利用人體的血液容積會隨著心臟律動呈搏動性變化，光感應器接收的光強也隨之呈搏動性變化。通過PPG模擬前端（AFE）芯片調(diào)節(jié)，即可將光強變化信號轉(zhuǎn)換為電信號，由此計算心率值。

PPG的血氧飽和度檢測原理：利用氧中血紅蛋白與脫氧血紅蛋白對紅光（660nm）和紅外光（940nm）的吸收光譜不同，測量氧和血紅蛋白的濃度，即可提供可連續(xù)的動態(tài)血氧監(jiān)測PPG信號。

PPG光路結構和工藝設計介紹

PPG檢測結果的精度與原始信號的質(zhì)量和穩(wěn)定性密切相關，而原始信號與PPG光路結構設計密切相關。因此，擁有高品質(zhì)的PPG光路結構和工藝設計，是可穿戴設備實現(xiàn)高精度PPG檢測功能的基礎。

PPG光路結構設計，主要包括光學小板布局、光窗設計和相關結構工藝選擇等。其中，PD與LED透光光窗的光路傳導路徑及結構疊層（LED沿手臂方向擺放），如圖1所示：

圖1 可穿戴設備的PPG光路方向示意圖

需要注意的是，為了保證靜息、運動不同狀態(tài)下的心率檢測結果，PPG光路結構設計要確保光學窗口與皮膚緊密貼合、盡量減少環(huán)境光干擾，以及盡量減少發(fā)射光未經(jīng)檢測目標進入PD。

1 光學小板主要布局

通常來說，PPG光路布局中心（通常為凸臺中心）與可穿戴設備中心重合。用于測量心率的綠燈中心與PD中心間距（gd）建議3.8～4.5mm，推薦值3.8mm。用于測量血氧的紅燈及紅外燈中心與PD中心間距（rd）建議5.5～7.5mm，推薦值6.6mm。常見布局如下：

十字形光路布局：光路布局中心位置對稱設計兩個三合一LED，PD均勻分布在四周，見圖2所示。

圖2 十字形光路（PD在四周）在產(chǎn)品應用方向示意圖

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3 T字形光路（PD在四周）在產(chǎn)品應用方向示意圖

一字形光路布局A：以PD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，沿表帶方向分別設置PD、綠燈、血氧LED燈，見圖4所示。

圖4 一字形光路（PD在邊上）在產(chǎn)品應用方向示意圖

一字形光路布局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放在兩燈的中間位置，見圖5所示。

圖5 一字形光路（PD在中間）在產(chǎn)品應用方向示意圖

2 光窗設計方案

通常來說，光窗設計方案有兩種：雙色模光窗方案、絲印鏡片光窗方案。

雙色模光窗方案設計：雙色模光窗方案指采用雙色注塑工藝，將透明光窗部分與不透光殼體整體注塑成為一體，見圖6所示。圖6 雙色模光窗方案示意圖

雙色模光窗方案更能減少竄光，結構也更穩(wěn)定可靠，但模具成本相對更高。

絲印鏡片光窗方案設計：絲印鏡片光窗方案，指在殼體上面粘貼一片或多片鏡片，在鏡片底部把非透光區(qū)域絲印一層黑色油墨阻擋光的傳遞，而光穿過透光區(qū)域（光窗）則形成固定的光路。結構示意圖如圖7所示。

圖7 絲印鏡片光窗方案示意圖

因為光窗材質(zhì)透明，為減少光線經(jīng)過LED光窗時直接傳導至PD光窗，LED光窗內(nèi)表面建議做增透處理（如菲涅爾紋）提升光效，PD光窗內(nèi)表面也可做菲涅爾紋聚光增透處理。

結語

即便有優(yōu)秀的PPG方案結構和工藝設計，要想系統(tǒng)性能獲得最大發(fā)揮，仍有賴于高品質(zhì)的模擬前端芯片的配合。

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