選擇不同心率檢測技術的工程師指南

心率數據可以提供有關個人身體狀況的寶貴信息。它的使用范圍從個人健康監(jiān)測到檢測心律失常等異常情況，再到醫(yī)院級患者生命體征監(jiān)測。當今的無線和可穿戴技術不僅可以非侵入式地收集復雜數據，還可以對其進行即時分析和顯示，以及存儲以供日后分析。

此類技術為可穿戴設備開辟了新的健身和健康消費市場，例如健身手環(huán)和胸帶運動監(jiān)視器。在醫(yī)療領域，無創(chuàng)心率監(jiān)測用于識別心臟血流減少等問題，并評估心臟病發(fā)作和血栓形成等風險。即使在醫(yī)院病房，護士現在也可以使用簡單的指握式心率監(jiān)測器和便攜式分析儀進行定期“觀察”，例如動脈血氧飽和度、呼吸頻率和水合水平。

對非侵入性和/或可穿戴設備的需求正在上升，而要收集的數據的復雜性也在增加，在數據采集、信號調理和處理方面增加了重大的技術挑戰(zhàn)。特別是對于醫(yī)療應用，測量必須可靠、準確和安全。

測量心率有兩種主要方法。第一種利用光學技術檢測血液通過靠近皮膚的血管時光吸收或反射的變化。光學技術也可用于估計血液中的氧飽和度（脈搏血氧飽和度）。主要的技術挑戰(zhàn)是低功耗、環(huán)境光抑制和環(huán)境噪聲消除。

第二種方法是生物電勢測量，它使用電壓感應電極來檢測心肌組織產生的電活動，該電活動會傳輸到皮膚。這些數據用于生成心電圖 （ECG），醫(yī)學專家廣泛用于確定心臟健康狀況。生物阻抗測量還可以確定呼吸速率和相對幅度。與這種方法相關的關鍵技術挑戰(zhàn)是低功率運行、運動補償和對抗其他干擾，例如噪聲。

光脈沖血氧計

對開發(fā)人員來說幸運的是，有許多用于心率監(jiān)測器的專用、特定應用的光學數據采集系統可供使用。例如，Maxim Integrated的MAX86140優(yōu)化用于檢測與手腕、手指、耳朵和其他位置接觸的監(jiān)視器中的光學心率、氧飽和度和肌肉氧飽和度。

雖然光學心率監(jiān)測通常需要一個光源，但脈搏血氧儀需要兩個。為了獲得驚人的準確性并增加可能的測量范圍，通常使用多個光源。MAX86140 和 MAX86141 分別提供單光通道和雙光通道。

在發(fā)射器端，三個可編程大電流 LED 驅動器可配置為驅動多達 6 個 LED。兩個器件在主從模式下工作，LED 驅動器可以驅動多達 12 個 LED。這些設備的一個關鍵特性是其強大的專有環(huán)境光消除 （ALC） 電路，對于確保在明亮條件下的準確性特別有用。此外，該系統可以應對光照水平的快速變化。

其他主要特性包括具有 19 位 sigma-delta ADC、電壓基準和溫度傳感器的低噪聲信號調理模擬前端 （AFE）。ADC 輸出數據速率可設置為 8 至 8192 個樣本。這些設備需要最少的外部硬件。一個 128 字 FIFO 為數字輸出數據提供片上存儲，并可連接到微控制器。

這兩款器件均采用 1.8V 主電源電壓和獨立的 3.1V 至 5V LED 驅動器電源，提供許多節(jié)能設施。它們具有靈活的定時和關閉配置以及對各個塊的控制。這可以在最小功率水平下進行優(yōu)化測量。動態(tài)斷電模式可用于低于 128 sps 的較低采樣率。當傳感器不與皮膚接觸時，接近模式功能可以降低能量消耗。

光學控制器可以配置用于各種測量。一個、兩個或三個 LED 驅動器可以按順序發(fā)出脈沖，根據脈搏血氧飽和度的要求在多個波長下進行測量。當 LED 驅動器同時發(fā)出脈沖時，可以在腕戴式裝置上進行心率測量?？梢哉{整 LED 驅動電平以補償增加的噪聲電平，例如當存在高干擾環(huán)境信號時。

生物電位心電圖測量

心電圖可測量心率并提供有關單個信號的詳細信息，為專業(yè)人員提供心臟檢查的更多詳細信息。它還允許在健身應用中進行更可靠的心率監(jiān)測，尤其是在使用胸帶時。與具有相同精度水平的光學傳感器相比，生物電勢測量通常需要更少的功率。然而，心電圖信號的處理會迅速消耗電池電量。此外，心電圖讀數對運動和其他干擾源高度敏感。因此，在健身應用中，運動補償尤為重要，而運動也可能是重要的噪聲源。

再一次，專用的應用特定設備可用于此類應用?？紤]一下 Maxim Integrated 的MAX30003，它被描述為適用于可穿戴應用的完整生物電勢模擬前端 （AFE） 解決方案。請參見圖 2。這款單通道設備具有臨床級 ECG AFE 和高分辨率 ADC，可提供 15.5 位有效分辨率和 5μV 峰峰值噪聲。此外，它還具有 ESD 保護、EMI 濾波、內部引線偏置、直流引線斷開檢測和軟上電排序。高輸入阻抗確保干啟動期間輸入端的信號衰減最小。

運動補償和消除運動偽影的干擾是通過確保 AFE 的共模抑制比 （CMRR） 盡可能高來實現的。MAX30003 的 CMRR 特性通常高達 115dB。可選的引線偏置電阻有助于提高 CMRR 并有助于提高輸入阻抗。各種低通和高通濾波器選項可用于限制帶寬，這對于衰減來自靜電和高頻信號的噪聲很重要。對于健身應用，單功率高通拐角頻率應設置為 5Hz，而對于臨床應用，通?？梢缘椭?0.5Hz 或 0.05Hz。對于運動用途，可將共模低通角設置為 34Hz，這是在干啟動期間限制衣物噪音的最佳水平。

1.1V 電源電壓下 85 μW 的超低功耗可延長電池壽命。導聯檢測功能在待機/深度睡眠模式 （70nA） 期間工作。一個 32 字的 FIFO 可以包含多達 32 個 ECG 數據轉換結果，從而節(jié)省主機微控制器的活動，因為它保持休眠的時間更長，從而降低了功耗。同樣，可以對 MCU 進行編程，使其不處理潛在的無效數據。用于 RR 峰值間隔的內置算法可進一步節(jié)省功耗，因此 MCU 僅消耗約 1μA 的電流，而托管在 MCU 上時則多 50 到 100 倍。

Maxim 提供了一個設計平臺，用于開發(fā)基于該器件的可穿戴健康或健身產品。MAXREFDES100健康傳感器平臺包括單個 PCB上的硬件構建模塊和作為硬件開發(fā)套件 （HDK） 的基于 ARM mbed 的編程板。除了 MAX30003 之外，MAX30101 還通過包括 LED 和光電探測器在內的光學元件以及具有環(huán)境光抑制功能的低噪聲電子器件增加了脈搏血氧飽和度功能。另外還有 MAX30205 臨床級溫度傳感器，推薦的電源模塊是 MAX14750，為 MCU、AFE 和數字接口提供多個輸出。

審核編輯：郭婷