随着可穿戴設備逐漸從(cóng)運動助手、娛樂工(gōng)具的産品定位升級到(dào)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(hé)度（SpO2）及其他(tā)生物計(jì)量指标，也(yě)成爲“剛需”功能(néng)。
因此，可穿戴設備面臨的挑戰：如何在終端應用(yòng)整體方案的基礎上(shàng)，設計(jì)出一款高(gāo)精度、高(gāo)可靠，甚至滿足臨床級的PPG測量方案？
此文(wén)将提供多種可穿戴設備的PPG測量方案設計(jì)，滿足終端客戶的設計(jì)需求。
通常來(lái)說，PPG測量方案由光發射器（發光二極管，LED）、光感應器（光電二極管，PD）、模拟前端（AFE）芯片及加速計(jì)構成。PPG檢測即通過光發射器将光波照進皮膚内部，再由光感應器接收光強變化，最後通過模拟前端芯片将模拟信号轉換成數字信号，進而獲取PPG原始信号。其間，加速計(jì)可測量人體運動狀态，與光信号結合使用(yòng)，可作(zuò)爲PPG算(suàn)法輸入。在PPG檢測後期，可通過複雜(zá)的算(suàn)法，處理(lǐ)來(lái)自(zì)模拟前端和(hé)加速計(jì)的原始信号，從(cóng)而生成持續的運動容錯心率、血氧數據和(hé)其他(tā)生物計(jì)量數據。
PPG的心率檢測原理(lǐ)：利用(yòng)人體的血液容積會(huì)随着心髒律動呈搏動性變化，光感應器接收的光強也(yě)随之呈搏動性變化。通過PPG模拟前端（AFE）芯片調節，即可将光強變化信号轉換爲電信号，由此計(jì)算(suàn)心率值。
PPG的血氧飽和(hé)度檢測原理(lǐ)：利用(yòng)氧中血紅(hóng)蛋白(bái)與脫氧血紅(hóng)蛋白(bái)對(duì)紅(hóng)光（660nm）和(hé)紅(hóng)外(wài)光（940nm）的吸收光譜不同，測量氧和(hé)血紅(hóng)蛋白(bái)的濃度，即可提供可連續的動态血氧監測PPG信号。
PPG光路結構和(hé)工(gōng)藝設計(jì)介紹
PPG檢測結果的精度與原始信号的質量和(hé)穩定性密切相關，而原始信号與PPG光路結構設計(jì)密切相關。因此，擁有高(gāo)品質的PPG光路結構和(hé)工(gōng)藝設計(jì)，是可穿戴設備實現(xiàn)高(gāo)精度PPG檢測功能(néng)的基礎。
PPG光路結構設計(jì)，主要包括光學小(xiǎo)闆布局、光窗設計(jì)和(hé)相關結構工(gōng)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(fàng)），如圖1所示：
需要注意的是，爲了(le)保證靜息、運動不同狀态下(xià)的心率檢測結果，PPG光路結構設計(jì)要确保光學窗口與皮膚緊密貼合、盡量減少環境光幹擾，以及盡量減少發射光未經檢測目标進入PD。
1 光學小(xiǎo)闆主要布局
通常來(lái)說，PPG光路布局中心（通常爲凸台中心）與可穿戴設備中心重合。用(yòng)于測量心率的綠燈中心與PD中心間距（gd）建議(yì)3.8～4.5mm，推薦值3.8mm。用(yòng)于測量血氧的紅(hóng)燈及紅(hóng)外(wài)燈中心與PD中心間距（rd）建議(yì)5.5～7.5mm，推薦值6.6mm。常見布局如下(xià)：十字形光路布局：光路布局中心位置對(duì)稱設計(jì)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）在産品應用(yòng)方向示意圖
T字形光路布局：光路布局中心位置附近放(fàng)置PD，兩個綠燈LED沿表帶方向關于PD中心對(duì)稱分布，血氧LED燈設計(jì)在兩個綠燈LED中心的中垂線上(shàng)，見圖3所示。
圖3 T字形光路（PD在四周）在産品應用(yòng)方向示意圖
一字形光路布局A：以PD中心和(hé)血氧燈光學中心的連線中心作(zuò)爲光路布局中心位置，沿表帶方向分别設置PD、綠燈、血氧LED燈，見圖4所示。
圖4 一字形光路（PD在邊上(shàng)）在産品應用(yòng)方向示意圖
一字形光路布局B：以綠燈光學中心和(hé)血氧燈光學中心的連線中心作(zuò)爲光路布局中心位置，綠燈和(hé)血氧LED燈沿表帶方向設置，PD放(fàng)在兩燈的中間位置，見圖5所示。圖5 一字形光路（PD在中間）在産品應用(yòng)方向示意圖
2 光窗設計(jì)方案
通常來(lái)說，光窗設計(jì)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(jì)：雙色模光窗方案指采用(yòng)雙色注塑工(gōng)藝，将透明(míng)光窗部分與不透光殼體整體注塑成爲一體，見圖6所示。雙色模光窗方案更能(néng)減少竄光，結構也(yě)更穩定可靠，但(dàn)模具成本相對(duì)更高(gāo)。絲印鏡片光窗方案設計(jì)：絲印鏡片光窗方案，指在殼體上(shàng)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。因爲光窗材質透明(míng)，爲減少光線經過LED光窗時(shí)直接傳導至PD光窗，LED光窗内表面建議(yì)做增透處理(lǐ)（如菲涅爾紋）提升光效，PD光窗内表面也(yě)可做菲涅爾紋聚光增透處理(lǐ)。
即便有優秀的PPG方案結構和(hé)工(gōng)藝設計(jì)，要想系統性能(néng)獲得最大(dà)發揮，仍有賴于高(gāo)品質的模拟前端芯片的配合。芯海科技CS1262是一款專用(yòng)于PPG信号采集的模拟前端（AFE）産品。該産品是第一款在技術上(shàng)适配OpenHarmony生态的“健康測量”傳感器芯片。該産品基于OpenHarmony系統環境下(xià)，能(néng)夠爲終端品牌産品提供全棧解決方案，可用(yòng)于心率、血氧、血壓等健康指标的采集與分析。當前，CS1262産品實測的關鍵性能(néng)指标達到(dào)業界一流水(shuǐ)平，可與主流 AFE設計(jì)兼容，能(néng)夠爲客戶提供高(gāo)配置、高(gāo)精度測量、超強抗幹擾、低(dī)功耗、全膚色支持、高(gāo)可靠及易用(yòng)性等七大(dà)核心價值。未來(lái)還将與公司的BIA、ECG等健康測量産品，共同構建平台型産品建設。
