如何獲得準(zhǔn)確的入耳式心率和SpO 2監(jiān)測

傳感器的使用正在突飛猛進(jìn)地增長。傳感器幾乎遍布每個(gè)行業(yè)，在消費(fèi)電子、汽車、智能家居和醫(yī)療應(yīng)用中的使用率尤其高。今天的智能手機(jī)至少包含五個(gè)傳感器。新車現(xiàn)在有多個(gè)用于安全和停車的光學(xué)傳感器，再加上典型發(fā)動機(jī)上的七種不同類型的傳感器。

2017 年全球傳感器市場總值為 $139B，預(yù)計(jì)到 2025 年將達(dá)到 $287B，復(fù)合年增長率為 9.5%。根據(jù) Zion Market Research 的數(shù)據(jù)，僅醫(yī)療傳感器市場在 2018 年的價(jià)值約為 11.7B 美元，預(yù)計(jì)到 2025 年將達(dá)到約 19.8B 美元，復(fù)合年增長率約為 7.80%。有用于腦機(jī)接口的可穿戴腦電圖傳感器技術(shù)。還有植入傳感器。一個(gè)例子是視覺障礙者的圖像傳感器。在這方面有很多研究工作。許多例子之一是由斯坦福大學(xué)工程師和醫(yī)學(xué)研究人員開發(fā)的無線、無電池、可生物降解的血流傳感器。

健康監(jiān)測傳感器可能是增長最快的領(lǐng)域。有人說，傳感器在新型可穿戴醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用受到人口老齡化的推動。但是，每個(gè)人都會從這些新技術(shù)中受益，而年輕的人群正在迅速加入。新的和改進(jìn)的傳感器技術(shù)被設(shè)計(jì)到智能手表和許多醫(yī)療可穿戴設(shè)備中。他們還將進(jìn)入家庭使用的非便攜式顯示器，以及醫(yī)療設(shè)施中使用的設(shè)備。

設(shè)計(jì)基于傳感器的可穿戴設(shè)備，提供所需的高精度，使其被視為醫(yī)療保健中有價(jià)值的工具，這絕非易事。從監(jiān)測設(shè)備的放置到血液灌注水平，有許多考慮因素需要解決。有關(guān)獲得準(zhǔn)確的心率和血氧飽和度 （SpO 2 ） 測量以深入了解健康和福祉所面臨的挑戰(zhàn)的更多詳細(xì)信息，請閱讀應(yīng)用說明“在聆聽您喜歡的曲目時(shí)跟蹤您的心率?！?/p>

入耳式應(yīng)用的光學(xué)模塊

SpO 2是血液中氧氣含量的估計(jì)值。血氧測試用于檢查一個(gè)人的肺部工作情況。血氧水平也是藥物過量的最可靠指標(biāo)。脈搏血氧儀對新生兒特別有價(jià)值，因?yàn)檠鹾喜蛔?，嬰兒無法茁壯成長，但氧氣過多和氧氣濃度波動會導(dǎo)致視力障礙或失明。此外，醫(yī)院在麻醉和麻醉后護(hù)理期間使用準(zhǔn)確的 SpO 2測量。

脈搏血氧儀通過將紅色 LED（600-750nm 波長）和紅外 LED（850-1000nm 波長）交替閃爍到身體部位來工作。然后使用光電二極管傳感器測量氧合血紅蛋白 （HbO 2 ）的紅光吸收和脫氧血紅蛋白 （Hb） 的紅外光吸收。Hb 吸收更多（并且反射更少）紅光。HbO 2吸收更多的紅外光。

血氧飽和度可以通過比較 Hb 和 HbO 2的值來確定。透射式血氧儀測量通過組織（通常是手指）透射的光，反射式血氧儀（如本設(shè)備所用）測量由組織（通常是手腕或耳朵）反射的光。

MAXM86161是一款極低功耗、單電源、高度集成的光學(xué)模塊，用于心率和SpO 2測量。該 IC 針對入耳式應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，采用微型 0.169 x 0.114 英寸窗口封裝，帶有由三個(gè)低噪聲 8 位 DAC 控制的紅色、IR 和綠色 LED，以及一個(gè)連接到跨阻放大器和 19 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。使用單個(gè)綠色 LED 測量心率。

MAXM86161 的跨阻放大器將來自光電二極管的幾微安電流轉(zhuǎn)換為幾毫伏的信號。該信號然后通過高通濾波器以減少背景光干擾，然后進(jìn)入 A/D。

圖 1. MAXM86161 框圖。

該 IC 在 -40° 至 85°C 的溫度范圍內(nèi)采用 3.0V 至 5.5V VLED 單電源供電。它支持標(biāo)準(zhǔn) I 2 C 接口和完全自主操作，并具有 128 字的內(nèi)置 FIFO。

溫度測量功耗降低 50%

設(shè)計(jì)下一代可穿戴健康和健身應(yīng)用的工程師需要高精度和極低功耗，用于腕帶可穿戴設(shè)備等應(yīng)用。手腕不是臨床監(jiān)測體溫的理想位置，但可以提供良好的相對和每日趨勢指示。準(zhǔn)確性在這里仍然非常重要。

在醫(yī)院中，擁有一個(gè)準(zhǔn)確的集成溫度傳感器意味著不再需要每小時(shí)一次將溫度計(jì)插入患者口中?，F(xiàn)在，護(hù)士站可以連續(xù)讀取多個(gè)體溫的圖表，準(zhǔn)確度更高，患者體驗(yàn)更舒適。

長時(shí)間的體溫變化可能表明感染引起的常見發(fā)燒，而術(shù)后患者體溫突然下降可能表明危及生命的狀況。因此，快速準(zhǔn)確地測量體溫的能力對醫(yī)生來說非常重要。最近的研究表明，皮膚溫度的局部變化可能是疾病的標(biāo)志，包括惡性腫瘤。身體上的多個(gè)溫度監(jiān)測器可能是一個(gè)重要的診斷工具。

使用MAX30208數(shù)字溫度傳感器 IC 的設(shè)計(jì)可以將溫度測量所需的功率降低 50%。該芯片是具有極高準(zhǔn)確度 （±0.1°C）、單電源供電（1.7V 至 3.6V）、低成本和測量期間僅 60μA 電流消耗和停機(jī)時(shí) 0.5μA 電流消耗的“天才”器件之一。 還能要求什么呢？

圖 2.MAX30208 框圖。

該 IC 允許在單個(gè)總線上尋址多個(gè)設(shè)備。它有一個(gè) I 2 C 串行接口和一個(gè)用于溫度數(shù)據(jù)的 32 字 FIFO 緩沖器，并采用非常小的 2mm x 2mm x 0.75mm、10 引腳薄 LGA 封裝。唯一的 ROM ID 允許設(shè)備可被 NIST 追蹤。除了 FIFO，內(nèi)存映射寄存器還包含高低警報(bào)觸發(fā)寄存器和傳感器設(shè)置寄存器。

不是在封裝底部使用導(dǎo)熱墊，而是在封裝頂部測量溫度，盡可能遠(yuǎn)離其引腳，從而最大限度地減少寄生自熱的可能性。

結(jié)論

得益于先進(jìn)的傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)醫(yī)療設(shè)備的工程師現(xiàn)在有了優(yōu)勢。借助這些技術(shù)，設(shè)計(jì)人員正在推出新一波健康監(jiān)測可穿戴設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)向更積極主動的預(yù)防性護(hù)理轉(zhuǎn)變。

審核編輯：郭婷