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??最近在做PPG和ECG相關(guān)的Sensor的驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，在找資料的時(shí)候發(fā)現(xiàn)一篇解析得很詳細(xì)且清晰的文章，故分享。
本文轉(zhuǎn)載自：立锜科技電子報(bào)：ECG/PPG量測(cè)解決方案

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0、摘要

??本應(yīng)用文件介紹了心電圖 (ECG) 與光電容積圖 (PPG) 的基本工作原理，討論了ECG與PPG生理信號(hào)的量測(cè)，以及提高可靠性、實(shí)現(xiàn)高精度電氣特性的難點(diǎn)。一般高精準(zhǔn)度的ECG與PPG架構(gòu)都是采用模擬前端和ADC組合而成的解決方案。

1、概述

??心臟運(yùn)作可以揭露人體許多極具價(jià)值的信息，包括其健康狀態(tài)、生活方式，甚至是情緒狀態(tài)及心臟疾病的早期發(fā)病等。傳統(tǒng)的醫(yī)療設(shè)備中，監(jiān)測(cè)心跳速率和心臟活動(dòng)是經(jīng)由測(cè)量電生理訊號(hào)與心電圖 (ECG) 來(lái)完成的，需要將電極連接到身體來(lái)量測(cè)心臟組織中所引發(fā)電氣活動(dòng)的信號(hào)。此外，隨著心跳會(huì)有一壓力波通過(guò)血管進(jìn)行傳遞，這個(gè)波會(huì)稍微改變血管的直徑，除了ECG外的另一選擇──光體積變化描記圖法 (Photoplethysmography, PPG) 就是利用這個(gè)變化，是一種無(wú)需測(cè)量生物電信號(hào)就能獲得心臟功能信息的光學(xué)技術(shù)。PPG主要用于測(cè)量血氧飽和度 (SpO2)，但也可不進(jìn)行生物電信號(hào)測(cè)量就提供心臟功能信息。借助PPG技術(shù)，心率監(jiān)護(hù)儀可集成到手表或護(hù)腕等可穿戴設(shè)備上，以達(dá)成連續(xù)偵測(cè)的應(yīng)用。

2、生理訊號(hào)：ECG vs. PPG與PTT

??心電描記術(shù) (Electrocardiography, ECG或者EKG) 是一種經(jīng)胸腔以時(shí)間為單位記錄心臟的電生理活動(dòng)，利用在人體皮膚表面貼上的電極，可以偵測(cè)到心臟的電位傳動(dòng)，而心電圖所記錄的并不是單一心室或心房細(xì)胞的電位變化，而是心臟整體的電位變化。心電圖的結(jié)果通常以波型顯示，基本包括有P波、QRS波組、T波。P波代表的是心房收縮，QRS波組則是心室收縮，T波是心室舒張。有關(guān)心跳率的測(cè)量或評(píng)估，是以R波與R波的間隔時(shí)間來(lái)代表。RR間隔越大代表心跳率越低，RR間隔越小代表心跳率越高。測(cè)量ECG信號(hào)常常要在身體多個(gè)部位連接傳感器電極，在胸部和四肢之間最多可以連接10個(gè)電極。

??光體積變化描記圖法 (Photoplethysmography，簡(jiǎn)稱(chēng)PPG) 是借光電手段在活體組織中檢測(cè)血液容積變化的一種無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法。當(dāng)一定波長(zhǎng)的光束照射到指端皮膚表面，每次心跳時(shí)，血管的收縮和擴(kuò)張都會(huì)影響光的透射 (例如在透射PPG中，通過(guò)指尖的光線) 或是光的反射 (例如在反射PPG中，來(lái)自手腕表面附近的光線)。當(dāng)光線透過(guò)皮膚組織然后再反射到光敏傳感器時(shí)，光照會(huì)有一定的衰減。像肌肉、骨骼、靜脈和其他連接組織對(duì)光的吸收是基本不變的 (前提是測(cè)量部位沒(méi)有大幅度的運(yùn)動(dòng))，但是動(dòng)脈會(huì)不同，由于動(dòng)脈里有血液的脈動(dòng)，那么對(duì)光的吸收自然也會(huì)有所變化。當(dāng)我們把光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)時(shí)，正是由于動(dòng)脈對(duì)光的吸收有變化而其他組織對(duì)光的吸收基本不變，得到的信號(hào)就可以分為直流DC信號(hào)和交流AC信號(hào)。提取其中的AC信號(hào)，就能反應(yīng)出血液流動(dòng)的特點(diǎn)。

??下圖是PPG信號(hào)和ECG信號(hào)的對(duì)比：

??根據(jù)PPG與ECG個(gè)別的生理特征點(diǎn)，我們可以發(fā)現(xiàn)ECG的峰值來(lái)自于心室的收縮，而PPG的峰值則是因?yàn)檠苁湛s所造成的，因此我們可以得到血液自心臟送出后到達(dá)量測(cè)部位的傳輸時(shí)間，也就是脈搏波傳遞時(shí)間Pulse Transit Time (PTT)，脈搏波傳遞的速度與血壓是直接相關(guān)的，血壓高時(shí)，脈搏波傳遞快，反之則慢，所以通過(guò)心電信號(hào)ECG與脈搏波信號(hào)PPG獲得脈搏傳遞時(shí)間 (PTT)，再加上常規(guī)的一些身體參數(shù) (如身高、體重) 即可得出脈搏波傳遞速度，通過(guò)建立的特征方程來(lái)估計(jì)人體脈搏的收縮壓與舒張壓，可實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量。

3、 生理訊號(hào)處理的挑戰(zhàn)

ECG量測(cè)的挑戰(zhàn)

??一般ECG電極需放置在心臟兩側(cè)并緊貼皮膚，可以用來(lái)記錄心電信號(hào)隨時(shí)間的變化。實(shí)際ECG信號(hào)的幅度只有幾毫伏，頻率不超過(guò)幾百赫茲。ECG測(cè)量面臨諸多挑戰(zhàn)：一方面，來(lái)自ECG主電源的50Hz至60Hz電容耦合干擾要比心臟信號(hào)強(qiáng)許多；另一方面，身體皮膚的接觸阻抗以及傳感器之間阻抗的不匹配，這會(huì)導(dǎo)致較大的偏差并降低共模抑制能力；此外，還要解決接觸噪聲以及電磁源產(chǎn)生的干擾問(wèn)題。此類(lèi)應(yīng)用中一些重要的放大器參數(shù)包括共模抑制、輸入偏移電壓和偏移電壓漂移、輸出擺幅以及放大器噪聲，說(shuō)明如下：

• 共模抑制
  ??如前文所述，放置在患者皮膚上的電極可能有大約數(shù)百毫伏特的直流電壓，而有用訊號(hào)的電壓通常小于一毫伏特。儀表放大器配置非常適合這種情況，該放大器將消除任何與差分輸入共模的訊號(hào) (來(lái)自電極或任何共模噪聲，如60Hz干擾)，同時(shí)放大有用的心電訊號(hào)。在這種情況下，考慮放大器電路的共模抑制參數(shù)是非常重要的，不僅針對(duì)直流訊號(hào)，還要考慮跨頻率，尤其是線路頻率為50Hz或60Hz時(shí)。具有高共模抑制比的放大器將消除更多不需要的噪聲并實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量。
• 輸入偏移電壓和偏移電壓漂移
  ??由于有用電壓相當(dāng)小，放大器需要提供增益，以提高檢測(cè)電路的分辨率。此應(yīng)用需要高增益，因此放大器的偏移電壓非常重要。放大器產(chǎn)生的任何偏移電壓都將乘以電路增益，例如，假定心臟收縮在皮膚上的一個(gè)指定電極上產(chǎn)生1毫伏特電壓，假定放大器電路的增益設(shè)置為1000，則放大器電路的理想輸出為1伏特，但如果放大器的輸入偏移電壓為100微伏特時(shí)，則將在輸出產(chǎn)生100毫伏特的誤差 (占有用訊號(hào)的10%)。值得注意的是，放大器的輸入偏移誤差以輸入為參考，因此，誤差將與放大器的增益成比例。
  與所有電子組件一樣，放大器的特性會(huì)隨時(shí)間和溫度發(fā)生變化，其電壓偏移也是如此。放大器電壓偏移是誤差的來(lái)源，隨著偏移電壓的漂移，此誤差可能變得更大。然而，透過(guò)選擇低漂移放大器 (如采用自動(dòng)歸零校準(zhǔn)架構(gòu)的放大器) 或者定期執(zhí)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，藉此校正失調(diào)和漂移的運(yùn)算放大器，可大幅度地減小此類(lèi)誤差源帶來(lái)的影響。
• 放大器輸出擺幅
  ??在前面的示例中，電極上1毫伏特電壓變化會(huì)在放大器電路的輸出上產(chǎn)生1伏特的電壓變化。對(duì)于5伏特單電源系統(tǒng)，這代表放大器電路可精確檢測(cè)0 ~ 5毫伏特的電壓，放大器需要輸出可擺動(dòng)到最低與最高的電源軌。相反地，如果放大器不支持軌對(duì)軌的輸出擺動(dòng)，則電壓的動(dòng)態(tài)范圍會(huì)變小，就無(wú)法正確檢測(cè)出完整的輸入訊號(hào)，因而會(huì)限制檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)范圍，無(wú)法做出精確的偵測(cè)。
• 放大器噪聲
  ??當(dāng)評(píng)估此類(lèi)應(yīng)用的放大器時(shí)，另一個(gè)必須考慮的重要參數(shù)是放大器噪聲。值得注意的是，放大器的噪聲可能不會(huì)隨頻率保持恒定，尤其是在1/f噪聲可成為主要噪聲源的低頻率下；在ECG應(yīng)用中，有用的訊號(hào)帶寬通常為直流到100Hz，因此1/f噪聲仍是誤差源之一。

PPG量測(cè)的挑戰(zhàn)

??測(cè)量PPG面臨的主要挑戰(zhàn)來(lái)自環(huán)境光和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾。陽(yáng)光產(chǎn)生的直流誤差相對(duì)而言比較容易消除，但日光燈和節(jié)能燈發(fā)出的光線都帶有可引起交流誤差的頻率分量。運(yùn)動(dòng)也會(huì)干擾光學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)光學(xué)心率監(jiān)護(hù)儀用于睡眠研究時(shí)，這可能不是問(wèn)題，但如果在活動(dòng)期間穿戴，則將很難消除運(yùn)動(dòng)偽像，光學(xué)傳感器 (LED和光電檢測(cè)器) 和皮膚之間的相對(duì)移動(dòng)也會(huì)降低光信號(hào)的靈敏度。
??此外，運(yùn)動(dòng)的頻率分量也可能會(huì)被誤判為心率，因此，必須測(cè)量該運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)備與人體之間相貼越緊密，這種影響就越小，但采用機(jī)械方式消除這種影響幾乎是不可能的。通常可使用多種方法來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)的干擾，其中一種是光學(xué)方法，即使用多個(gè)LED波長(zhǎng)。共模信號(hào)表示運(yùn)動(dòng)，而差分信號(hào)用來(lái)檢測(cè)心率。不過(guò)，最好是使用真正的運(yùn)動(dòng)傳感器，該傳感器不僅可準(zhǔn)確測(cè)量應(yīng)用于可穿戴設(shè)備的運(yùn)動(dòng)，而且還可用于提供其他功能，例如跟蹤活動(dòng)、計(jì)算步數(shù)或者在檢測(cè)到特定g值時(shí)啟動(dòng)某個(gè)應(yīng)用。

4、CG量測(cè)電路

??典型的ECG設(shè)備通常利用AFE進(jìn)行信號(hào)放大、濾波，然后通過(guò)一個(gè)ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。使用低分辨率 (16位) ADC時(shí)，信號(hào)需要被顯著增益 (增幅通常為100 ~ 200倍) 以達(dá)到必要的分辨率。使用高分辨率 (24位) Σ-ΔADC時(shí)，信號(hào)僅需要4 ~ 5倍的適度增益。因此可以除去消除直流偏移所需的第二增益級(jí)和電路。這將實(shí)現(xiàn)面積與成本上的整體縮減。Σ - ΔADC方法還將保留信號(hào)的整個(gè)頻率內(nèi)容，并為數(shù)據(jù)后期處理提供充分的靈活性。

儀表放大器 (IA)

??儀表放大器 (IA) 的主要任務(wù)是抑制共模信號(hào) (通常是50Hz/60Hz干擾)，ECG應(yīng)用需要90dB甚至更高的共模抑制比 (CMRR) 以抑制放大電路從電源耦合的50Hz/60Hz信號(hào)。即使采用具有高共模抑制比 (CMRR) 的IA，不同ECG電極的差異或者是皮膚接觸阻抗之間的不匹配不僅產(chǎn)生偏移電壓漂移，也會(huì)導(dǎo)致CMRR低于所期望的水平。阻抗的不匹配主要源于電極與皮膚的物理接觸、排汗和肌肉運(yùn)動(dòng)等原因。隨后要考慮的因素是IA的增益，設(shè)置IA增益時(shí)必須注意避免增益過(guò)大導(dǎo)致削波或飽和。IA的輸入阻抗指標(biāo)也很重要，因?yàn)镋CG測(cè)量的是微弱信號(hào)。推薦選擇具有高阻輸入的IA，因?yàn)檩^低的輸入阻抗會(huì)導(dǎo)致較大的信號(hào)衰減。

第二級(jí)放大 (PGA)

??利用IA和濾波器消除噪聲和干擾后，再進(jìn)行第二級(jí)放大，提供額外的增益以達(dá)到ADC的輸入量程。有些設(shè)計(jì)還添加了一個(gè)陷波濾波器，對(duì)50Hz/60Hz作進(jìn)一步抑制。

低通/抗混迭濾波器 (Filter)

??低通濾波器用來(lái)抑制高頻干擾，同時(shí)也起到一個(gè)抗混迭濾波器 (Anti-aliasing Filter) 的作用，即阻止任何大于奈奎斯特或1/2采樣頻率的信號(hào)，避免產(chǎn)生ADC混迭。
??為了進(jìn)一步降低輸入共模信號(hào)，ECG設(shè)計(jì)通常還引入一級(jí)「右腿驅(qū)動(dòng)器」 (VRLD)，驅(qū)動(dòng)反相共模信號(hào)返回人體。為了確保病人的安全，通常利用一個(gè)運(yùn)算放大器和一個(gè)限流電阻以確保驅(qū)動(dòng)到人體的是一個(gè)非常微弱的信號(hào)源。這個(gè)右腿驅(qū)動(dòng)器可以降低ECG電極承載信號(hào)的噪聲耦合.

5、 PPG量測(cè)電路

??PPG的量測(cè)電路包含：光發(fā)射驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的LED，以及測(cè)量光電二極管返回信號(hào)的電路。目標(biāo)是通過(guò)消耗的一定LED電流量 (存在一定的電流傳輸比)，測(cè)量盡可能高的光電流。光電二極管的輸入接收信號(hào)透過(guò)轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器 (TIA) 而放大、濾波，然后通過(guò)一個(gè)ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
??環(huán)境光干擾是一個(gè)大問(wèn)題，尤其是當(dāng)存在調(diào)制光時(shí)，比如使用LED或節(jié)能燈的固態(tài)照明系統(tǒng)。為了獲得良好的信號(hào)響應(yīng)，要透過(guò)數(shù)字信號(hào)處理降低環(huán)境光干擾的影響，這是一個(gè)關(guān)鍵功能，能夠非常有效地抑制外部光干擾。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的一文详解光电容积图 (PPG) 和心电图 (ECG) 基本工作原理的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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