深挖PPG和Bio-Z在可穿戴上的應(yīng)用潛力，ADI ADPD7008和ADPD700x助力開啟身心平衡新紀(jì)元

時間：2024-07-16 16:35:55

關(guān)鍵字：可穿戴 PPG Bio-Z ADI ADPD7008 ADPD700x

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[導(dǎo)讀]當(dāng)心率檢測功能已經(jīng)成為智能手表/手環(huán)的標(biāo)配，可穿戴健康設(shè)備之間的的競爭進入到了一個新高度：如何引入更多更豐富的體征監(jiān)測功能，甚至對于情緒等捉摸不定的狀態(tài)進行捕捉和量化，從而使佩戴者成為更好的自我，達到身心平衡。而這背后，離不開對于PPG技術(shù)的深挖，以及對于Bio-Z技術(shù)的引入。

當(dāng)心率檢測功能已經(jīng)成為智能手表/手環(huán)的標(biāo)配，可穿戴健康設(shè)備之間的的競爭進入到了一個新高度：如何引入更多更豐富的體征監(jiān)測功能，甚至對于情緒等捉摸不定的狀態(tài)進行捕捉和量化，從而使佩戴者成為更好的自我，達到身心平衡。而這背后，離不開對于PPG技術(shù)的深挖，以及對于Bio-Z技術(shù)的引入。

PPG已被證明能夠成功測量或被提議用于測量以下參數(shù)：心率和心率變化、呼吸頻率、血氧飽和度、身體補水、靜脈反流?。o脈曲張）的嚴(yán)重程度、靜脈功能、冷敏感性、血壓、心輸出量。而Bio-Z則可通過測量生物阻抗，進行身體成分分析、生物阻抗光譜分析、阻抗心動圖和體積描記法等，應(yīng)用于體脂率、含水量、缺水提醒、骨骼肌含量和基礎(chǔ)代謝率檢測。

雖然這些技術(shù)在嚴(yán)肅醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，但是要將這些新的應(yīng)用引入到手表/手環(huán)這種可穿戴設(shè)備上，受制于佩戴位置、設(shè)備功耗、體積等條件，仍存在著不小的技術(shù)挑戰(zhàn)。

ADI于近日推出了新的可穿戴健康A(chǔ)FE芯片：ADPD7008和ADPD700x，這兩款新品分別針對PPG和Bio-Z，幫助可穿戴設(shè)備廠商在這兩個方向上進行更深入的應(yīng)用探索。

ADPD7008：極致的PPG功能和客戶產(chǎn)品設(shè)計制造全流程支持

PPG即（Photoplethysmography，光電容積描記法）是一種通過測量光的吸收或反射來監(jiān)測人體血液容積變化的技術(shù)。PPG可以分為兩種測量方式：一種是透射吸收，譬如通過手指或耳垂來測量光的吸收量；另一種是反射式，即通過測量反射回的光線散射信息來判斷血液容積變化。反射式的傳感器位置可以自由放置，因此更適用于手表和手環(huán)等設(shè)備。

如下圖所示，智能手表的光學(xué)傳感器通常放置于手表背面，與手腕上方的皮膚接觸，通過測量皮膚表面下的靜脈和毛細血管來獲取血液脈動信息。

光線的發(fā)射是通過LED，而反射光線的是PD來接收。而對于LED和PD的數(shù)量和排布方式，不同手表廠商的設(shè)計也有所不同。當(dāng)人的手腕移動時可能會與背部的傳感器之間產(chǎn)生位移或間隙，導(dǎo)致漏光等問題，因此更多的方向和角度上的LED和PD布局，能夠確保相互之間的接觸，從而更準(zhǔn)確地采集到容積變化。

采集到的數(shù)據(jù)是一個個波形，而這其中蘊含著很多關(guān)鍵的信息。“第一是可以知道你的心跳，這些頻率跟你脈搏波動的頻率是一致的。同時，我可以根據(jù)不同的眼睛（PD）看到的不同狀態(tài)的差別分析出來血氧飽和度，還有心跳之間的差異——比如睡覺時做睡眠監(jiān)測的話，每天早上起來我的智能手表會告訴我，晚上的心率變異性大概是多少，這個值代表著我本身的身體狀況，其實是很有用的。未來可能還有血壓跟血糖這些等?！盇DI中國產(chǎn)品事業(yè)部高級市場應(yīng)用經(jīng)理何源介紹到。

ADPD7008，是ADI專門針對PPG優(yōu)化而來的AFE芯片。單芯片集成了8 LED和4 PD，具有117+dB的高信噪比和0.004Hz～9KHz的寬報點率。

據(jù)何源介紹，ADPD7008的寬報點率可以達到9KHz，也就是說一秒鐘最快可以報9000個點，這也就意味著可以去適配各種各樣的對心率捕捉的算法需求。同時，因為只關(guān)注于PPG這一個功能上，所以芯片的功耗可以做到更低、性價比也就更高，因此客戶中高低端的產(chǎn)品都可以選擇這款芯片。

芯片強，更要客戶用的好。

尤其是對于可穿戴設(shè)備廠商而言，他們相比嚴(yán)肅醫(yī)療的客戶，知識儲備并不是那么深厚、對于上市時間要求更為嚴(yán)苛、面對的市場競爭壓力也更大，所以更需要來自算法、方案、PCB布局仿真等方面的支持。

“ADI不只是賣芯片的，而賣的是全棧方案，從光學(xué)結(jié)構(gòu)、軟件硬件、算法，到量產(chǎn)的方案都會涵蓋?！焙卧凑f到。

除了芯片層面上的優(yōu)勢外，ADI為ADPD7008還帶來了更多方案級的資源，從客戶的芯片使用、算法開發(fā)、PCB打板、到傳感器布局、終端產(chǎn)品的產(chǎn)線制造，提供了整個鏈路上的關(guān)鍵技術(shù)資源和支持。值得一提的包括自研的SCD活體檢測方案、完備的算法組合（心率、血氧、睡眠、壓力、HRV…）、量產(chǎn)交付工具（軟硬件、治具）和光學(xué)設(shè)計/布局仿真與指導(dǎo)等。

據(jù)悉，活體檢測是隨芯片免費贈送給客戶的方案，基于G的SCD檢測和基于R/IR的SCD檢測技術(shù)，并進行了多種材料遍歷結(jié)合人體特征提取，能夠?qū)崿F(xiàn)佩戴特征+活體識別的功能，而且具備低功耗的特點。在此何源還特別提到，活體檢測的功能，客戶可以自己選擇是基于綠光或者紅光來檢測。

綠光相比紅光更容易被人體吸收，可以減輕反射環(huán)境光帶來的任何污染。相輔相成的是，如果佩戴時漏光，綠光對于人眼的刺激也就要比紅光強的多，因此晚上可能更容易給佩戴者或他人造成視覺困擾。因此ADI的活體檢測提供了綠光或紅光兩種選擇，方便客戶根據(jù)實際設(shè)備情況進行調(diào)整。

而除了活體檢測方案、諸多的算法之外，工廠治具和產(chǎn)測檢測，對于中小體量的客戶而言，也是非常有價值的支持?！拔覀兲峁┝艘惶追浅Ｍ暾漠a(chǎn)測流程，可以直接告訴擁有芯片的客戶他們的設(shè)計是否合理、有哪些地方可以改進、能否進行大規(guī)模的量產(chǎn)。”何源解釋到，“通常在一開始小批量階段的時候大家都是先做一兩百套，而我們的目的就是希望能夠在這個階段提前幫助客戶把問題篩選出來，提前進行預(yù)警。這樣就可以避免等到客戶開模之后進行幾十上百萬套生產(chǎn)的時候才發(fā)現(xiàn)問題，那將會是嚴(yán)重的生產(chǎn)事故?！?

舉例而言，當(dāng)客戶手表送達后，ADI將在一個封閉環(huán)境中測試其對黑卡、白卡和灰卡的響應(yīng)，以模擬其對于皮膚的實際感知效果。這些卡片分別代表極度白色和極度黑色，用于測試產(chǎn)品在極端條件下的光學(xué)設(shè)計和玻璃厚度是否合適。由于有些手表需要防水防塵，玻璃可能會較厚，因此需要進行權(quán)衡。這些測試結(jié)果將被轉(zhuǎn)化為一系列數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以映射到偏離度，以確定其是否滿足算法需求。通過這種量化的結(jié)果，來幫助客戶進一步完善其產(chǎn)品設(shè)計和算法的適配優(yōu)化。

此外，ADI還為客戶提供了一個產(chǎn)測專用的客戶端——VSM Mini Client。通過這個客戶端，可以方便產(chǎn)線工人更便捷地進行產(chǎn)線不良品篩查，協(xié)助廠商進行質(zhì)量分析。“這是一個非常便捷的工具，插上USB或藍牙，與藍牙一連接，只需要點一個按鈕開始，就可以全流程自動完成測試。哪里有問題都會被直接攔截住?！焙卧唇忉尩?，“這對于一些中小型公司是很有幫助的，因為他們很少有人力去開發(fā)這些東西，而我們作為芯片供應(yīng)商都可以把這些提供給他們?！?

ADPD700x：純粹的Bio-Z AFE，提供設(shè)計靈活性和極致性價比

Bio-Z是生物阻抗（Bioimpedance）的簡稱，主要用于測量身體的阻抗特性。Bio-Z技術(shù)通過在體表施加微小的交流電流，并測量電流通過體內(nèi)不同組織時的電壓變化，從而計算出阻抗值。這些阻抗值可以反映心臟活動、呼吸頻率和體液狀態(tài)等信息。

而ADPD700x則是ADI專門為Bio-Z推出的AFE，單純用于阻抗測量。正是因為功能純粹，所以ADPD700x的尺寸僅有2.2x1.8mm，功耗也做到了更低水平。同時也具備了更寬的動態(tài)范圍和更高的信噪比。此外，ADPD700x還具備誤差/寄生校準(zhǔn)專利，提供硬件級Lead-on檢測（不需要軟件，芯片就可以直接判斷是否佩戴）。

通過ADPD700x，可以支持客戶進行BIA+EDA/GSR相關(guān)的應(yīng)用開發(fā)。

BIA（Bioelectrical Impedance Analysis）是利用生物阻抗技術(shù)進行人體成分分析的一種方法。其原理是通過在體表放置電極形成電流回路，向人體施加微小的電流，測量兩電極之間的電壓變化，然后進行阻抗計算。通過特定算法，將測得的阻抗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為身體成分比例，包括總水分（Total Body Water, TBW）、肌肉質(zhì)量（Lean Body Mass, LBM）和脂肪質(zhì)量（Fat Mass, FM）等。因此BIA常用于健身、營養(yǎng)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，幫助評估個體的身體健康狀況和體成分變化。

Electrodermal Activity (EDA)即皮膚電活動，是指皮膚表面電特性的變化，通常反映出由交感神經(jīng)系統(tǒng)引起的皮膚汗腺活動。通過在皮膚上放置電極，測量皮膚導(dǎo)電性（電導(dǎo)）的變化。當(dāng)人處于不同的情緒狀態(tài)或壓力狀態(tài)時，汗腺的活動會改變皮膚的導(dǎo)電性，從而改變測量到的電導(dǎo)值。這種測量可以提供有關(guān)情緒、壓力和興奮水平的信息。

在進行阻抗測量時，設(shè)備的電極越小，由于電極與人體皮膚之間的接觸電阻，阻抗測量誤差就越大。在可穿戴設(shè)備上實現(xiàn)BIA/EDA應(yīng)用面臨的一個主要挑戰(zhàn)是時變接觸阻抗（time-varying contact impedance）。這種變化可能由于皮膚的干濕度、運動引起的電極移動以及長期佩戴導(dǎo)致的電極接觸不良等因素引起。這些因素會影響測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，因此在設(shè)計可穿戴設(shè)備時，需要特別注意這些問題，并采取措施（如優(yōu)化電極材料和設(shè)計、使用智能算法進行數(shù)據(jù)校正等）來提高測量精度。

而ADPD700x，專門針對這些問題進行了優(yōu)化。據(jù)何源介紹，ADPD700x采用了ADI的MS4/6/12專利架構(gòu)，可以采用不同的頻率來進行掃描?！安煌念l率可以穿透身體的滲透度是不一樣的，打的快一點可能就可以穿得深一點，可以到內(nèi)臟；打得淺一點或者是不打就是直流通過皮膚的表皮。通過返回來的相位差可以知道大概阻抗的狀況，據(jù)此再反推出來體脂率等指標(biāo)?！?

該技術(shù)原理聽起來比較簡單，但實際實現(xiàn)的難度極高。因為較慢的掃描頻率下的阻抗誤差很大，較快的掃描頻率下又會瘦到細胞膜導(dǎo)致的寄生電容印象。而ADI的MS4/6/12專利架構(gòu)，可以將整體的誤差值下降到2%以內(nèi)。

在方案層面，ADPD700x提供了完整的PCB Layout示例。在該示例包含了ADI對于模擬層面的知識積累，優(yōu)化了ADPD700x外圍的電源、開關(guān)、天線之間的搭配，以及導(dǎo)線之間的干擾，客戶可以直接在此公板基礎(chǔ)上進行自己的產(chǎn)品設(shè)計，這大大便利了客戶對于芯片的使用和方案的構(gòu)建。

ADPD700x定位非常精準(zhǔn)，對于想在已經(jīng)具備PPG的手表上添加Bio-Z的功能，但又不想大幅修改設(shè)計的客戶，可以直接選擇添加一個ADPD700x來實現(xiàn)組合創(chuàng)新。即使客戶的PPG采用的并非ADI的芯片，也可以與ADPD700x進行完美的組合，組成一個全棧式的、更徹底的檢測方案。