深挖PPG和Bio-Z在可穿戴上的应用潜力，ADI ADPD7008和ADPD700x助力开启身心平衡新纪元

当心率检测功能已经成为智能手表/手环的标配，可穿戴健康设备之间的的竞争进入到了一个新高度：如何引入更多更丰富的体征监测功能，甚至对于情绪等捉摸不定的状态进行捕捉和量化，从而使佩戴者成为更好的自我，达到身心平衡。而这背后，离不开对于PPG技术的深挖，以及对于Bio-Z技术的引入。

PPG已被证明能够成功测量或被提议用于测量以下参数：心率和心率变化、呼吸频率、血氧饱和度、身体补水、静脉反流病（静脉曲张）的严重程度、静脉功能、冷敏感性、血压、心输出量。而Bio-Z则可通过测量生物阻抗，进行身体成分分析、生物阻抗光谱分析、阻抗心动图和体积描记法等，应用于体脂率、含水量、缺水提醒、骨骼肌含量和基础代谢率检测。

虽然这些技术在严肃医疗领域的应用已经非常成熟，但是要将这些新的应用引入到手表/手环这种可穿戴设备上，受制于佩戴位置、设备功耗、体积等条件，仍存在着不小的技术挑战。

ADI于近日推出了新的可穿戴健康AFE芯片：ADPD7008和ADPD700x，这两款新品分别针对PPG和Bio-Z，帮助可穿戴设备厂商在这两个方向上进行更深入的应用探索。

ADPD7008：极致的PPG功能和客户产品设计制造全流程支持

PPG即（Photoplethysmography，光电容积描记法）是一种通过测量光的吸收或反射来监测人体血液容积变化的技术。PPG可以分为两种测量方式：一种是透射吸收，譬如通过手指或耳垂来测量光的吸收量；另一种是反射式，即通过测量反射回的光线散射信息来判断血液容积变化。反射式的传感器位置可以自由放置，因此更适用于手表和手环等设备。

如下图所示，智能手表的光学传感器通常放置于手表背面，与手腕上方的皮肤接触，通过测量皮肤表面下的静脉和毛细血管来获取血液脉动信息。

光线的发射是通过LED，而反射光线的是PD来接收。而对于LED和PD的数量和排布方式，不同手表厂商的设计也有所不同。当人的手腕移动时可能会与背部的传感器之间产生位移或间隙，导致漏光等问题，因此更多的方向和角度上的LED和PD布局，能够确保相互之间的接触，从而更准确地采集到容积变化。

采集到的数据是一个个波形，而这其中蕴含着很多关键的信息。“第一是可以知道你的心跳，这些频率跟你脉搏波动的频率是一致的。同时，我可以根据不同的眼睛（PD）看到的不同状态的差别分析出来血氧饱和度，还有心跳之间的差异——比如睡觉时做睡眠监测的话，每天早上起来我的智能手表会告诉我，晚上的心率变异性大概是多少，这个值代表着我本身的身体状况，其实是很有用的。未来可能还有血压跟血糖这些等。”ADI中国产品事业部高级市场应用经理何源介绍到。

ADPD7008，是ADI专门针对PPG优化而来的AFE芯片。单芯片集成了8 LED和4 PD，具有117+dB的高信噪比和0.004Hz～9KHz的宽报点率。

据何源介绍，ADPD7008的宽报点率可以达到9KHz，也就是说一秒钟最快可以报9000个点，这也就意味着可以去适配各种各样的对心率捕捉的算法需求。同时，因为只关注于PPG这一个功能上，所以芯片的功耗可以做到更低、性价比也就更高，因此客户中高低端的产品都可以选择这款芯片。

芯片强，更要客户用的好。

尤其是对于可穿戴设备厂商而言，他们相比严肃医疗的客户，知识储备并不是那么深厚、对于上市时间要求更为严苛、面对的市场竞争压力也更大，所以更需要来自算法、方案、PCB布局仿真等方面的支持。

“ADI不只是卖芯片的，而卖的是全栈方案，从光学结构、软件硬件、算法，到量产的方案都会涵盖。”何源说到。

除了芯片层面上的优势外，ADI为ADPD7008还带来了更多方案级的资源，从客户的芯片使用、算法开发、PCB打板、到传感器布局、终端产品的产线制造，提供了整个链路上的关键技术资源和支持。值得一提的包括自研的SCD活体检测方案、完备的算法组合（心率、血氧、 睡眠、压力、HRV…）、量产交付工具（软硬件、治具）和光学设计/布局仿真与指导等。

据悉，活体检测是随芯片免费赠送给客户的方案，基于G的SCD检测和基于R/IR的SCD检测技术，并进行了多种材料遍历结合人体特征提取，能够实现佩戴特征+活体识别的功能，而且具备低功耗的特点。在此何源还特别提到，活体检测的功能，客户可以自己选择是基于绿光或者红光来检测。

绿光相比红光更容易被人体吸收，可以减轻反射环境光带来的任何污染。相辅相成的是，如果佩戴时漏光，绿光对于人眼的刺激也就要比红光强的多，因此晚上可能更容易给佩戴者或他人造成视觉困扰。因此ADI的活体检测提供了绿光或红光两种选择，方便客户根据实际设备情况进行调整。

而除了活体检测方案、诸多的算法之外，工厂治具和产测检测，对于中小体量的客户而言，也是非常有价值的支持。“我们提供了一套非常完整的产测流程，可以直接告诉拥有芯片的客户他们的设计是否合理、有哪些地方可以改进、能否进行大规模的量产。”何源解释到，“通常在一开始小批量阶段的时候大家都是先做一两百套，而我们的目的就是希望能够在这个阶段提前帮助客户把问题筛选出来，提前进行预警。这样就可以避免等到客户开模之后进行几十上百万套生产的时候才发现问题，那将会是严重的生产事故。”

举例而言，当客户手表送达后，ADI将在一个封闭环境中测试其对黑卡、白卡和灰卡的响应，以模拟其对于皮肤的实际感知效果。这些卡片分别代表极度白色和极度黑色，用于测试产品在极端条件下的光学设计和玻璃厚度是否合适。由于有些手表需要防水防尘，玻璃可能会较厚，因此需要进行权衡。这些测试结果将被转化为一系列数据，这些数据可以映射到偏离度，以确定其是否满足算法需求。通过这种量化的结果，来帮助客户进一步完善其产品设计和算法的适配优化。

此外，ADI还为客户提供了一个产测专用的客户端——VSM Mini Client。通过这个客户端，可以方便产线工人更便捷地进行产线不良品筛查，协助厂商进行质量分析。“这是一个非常便捷的工具，插上USB或蓝牙，与蓝牙一连接，只需要点一个按钮开始，就可以全流程自动完成测试。哪里有问题都会被直接拦截住。”何源解释到，“这对于一些中小型公司是很有帮助的，因为他们很少有人力去开发这些东西，而我们作为芯片供应商都可以把这些提供给他们。”

ADPD700x：纯粹的Bio-Z AFE，提供设计灵活性和极致性价比

Bio-Z是生物阻抗（Bioimpedance）的简称，主要用于测量身体的阻抗特性。Bio-Z技术通过在体表施加微小的交流电流，并测量电流通过体内不同组织时的电压变化，从而计算出阻抗值。这些阻抗值可以反映心脏活动、呼吸频率和体液状态等信息。

而ADPD700x则是ADI专门为Bio-Z推出的AFE，单纯用于阻抗测量。正是因为功能纯粹，所以ADPD700x的尺寸仅有2.2x1.8mm，功耗也做到了更低水平。同时也具备了更宽的动态范围和更高的信噪比。此外，ADPD700x还具备误差/寄生校准专利，提供硬件级Lead-on检测（不需要软件，芯片就可以直接判断是否佩戴）。

通过ADPD700x，可以支持客户进行BIA+EDA/GSR相关的应用开发。

BIA（Bioelectrical Impedance Analysis）是利用生物阻抗技术进行人体成分分析的一种方法。其原理是通过在体表放置电极形成电流回路，向人体施加微小的电流，测量两电极之间的电压变化，然后进行阻抗计算。通过特定算法，将测得的阻抗数据转化为身体成分比例，包括总水分（Total Body Water, TBW）、肌肉质量（Lean Body Mass, LBM）和脂肪质量（Fat Mass, FM）等。因此BIA常用于健身、营养和医学领域，帮助评估个体的身体健康状况和体成分变化。

Electrodermal Activity (EDA)即皮肤电活动，是指皮肤表面电特性的变化，通常反映出由交感神经系统引起的皮肤汗腺活动。通过在皮肤上放置电极，测量皮肤导电性（电导）的变化。当人处于不同的情绪状态或压力状态时，汗腺的活动会改变皮肤的导电性，从而改变测量到的电导值。这种测量可以提供有关情绪、压力和兴奋水平的信息。

在进行阻抗测量时，设备的电极越小，由于电极与人体皮肤之间的接触电阻，阻抗测量误差就越大。在可穿戴设备上实现BIA/EDA应用面临的一个主要挑战是时变接触阻抗（time-varying contact impedance）。这种变化可能由于皮肤的干湿度、运动引起的电极移动以及长期佩戴导致的电极接触不良等因素引起。这些因素会影响测量的准确性和稳定性，因此在设计可穿戴设备时，需要特别注意这些问题，并采取措施（如优化电极材料和设计、使用智能算法进行数据校正等）来提高测量精度。

而ADPD700x，专门针对这些问题进行了优化。据何源介绍，ADPD700x采用了ADI的MS4/6/12专利架构，可以采用不同的频率来进行扫描。“不同的频率可以穿透身体的渗透度是不一样的，打的快一点可能就可以穿得深一点，可以到内脏；打得浅一点或者是不打就是直流通过皮肤的表皮。通过返回来的相位差可以知道大概阻抗的状况，据此再反推出来体脂率等指标。”

该技术原理听起来比较简单，但实际实现的难度极高。因为较慢的扫描频率下的阻抗误差很大，较快的扫描频率下又会瘦到细胞膜导致的寄生电容印象。而ADI的MS4/6/12专利架构，可以将整体的误差值下降到2%以内。

在方案层面，ADPD700x提供了完整的PCB Layout示例。在该示例包含了ADI对于模拟层面的知识积累，优化了ADPD700x外围的电源、开关、天线之间的搭配，以及导线之间的干扰，客户可以直接在此公板基础上进行自己的产品设计，这大大便利了客户对于芯片的使用和方案的构建。

ADPD700x定位非常精准，对于想在已经具备PPG的手表上添加Bio-Z的功能，但又不想大幅修改设计的客户，可以直接选择添加一个ADPD700x来实现组合创新。即使客户的PPG采用的并非ADI的芯片，也可以与ADPD700x进行完美的组合，组成一个全栈式的、更彻底的检测方案。

深挖PPG和Bio-Z在可穿戴上的应用潜力

从去年发布的ADPD7000，是一颗大而全的AFE芯片，它单芯片就实现PPG、ECG、BIA和EDA四个通道的检测功能，是行业中多模式传感器前端的标杆，迎合了当下可穿戴市场上最全面的、顶尖的生命体征的监测需求，是旗舰级智能手表的必选。

而今年发布的ADPD7008和ADPD700x，则是精确的对准了智能手表对于PPG升阶和Bio-Z添加的功能需求。在ADPD7这个系列上进行了拓宽，提供了更灵活的产品矩阵。

对于未来市场需求的精准捕捉，带来了更精准的芯片定义，而芯片层面的超高参数、算法层面的完备组合、客户设计生产制造层面的全面支持，所有因素叠加在一起，构成了ADI在VSM领域的强大实力。

何源最后强调，ADI也一直秉承“本地开发&落地支持”的原则。帮助客户从设计到量产有效缩短开发周期。“所有的设计、所有的问题国内都有专门的人负责。”