測量心率的兩種主要方法介紹

　　心率數(shù)據(jù)可以提供有關(guān)個人身體狀況的非常有價值信息，通過檢測心律失常等不規(guī)則現(xiàn)象，心率數(shù)據(jù)可用于從個人健身監(jiān)測，到醫(yī)院級患者監(jiān)測的生命體征等應(yīng)用。當(dāng)今的無線和可穿戴技術(shù)不僅可以通過非侵入性方式收集復(fù)雜數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行實時分析和顯示，并可存儲以供日后使用。

　　這種技術(shù)為可穿戴設(shè)備開辟了新的健身和保健消費市場，促進(jìn)了健身手帶和胸帶等運動監(jiān)視器的應(yīng)用。在醫(yī)療領(lǐng)域，非侵入式心率監(jiān)測可用于識別心臟血流減少，評估心臟病發(fā)作和血栓形成等風(fēng)險和問題。甚至在醫(yī)院的病房中，護(hù)士現(xiàn)在也可以使用簡單的手握心率監(jiān)測器和便攜式分析儀對患者進(jìn)行定期“觀察”動脈血氧飽和度、呼吸率和水合水平等指標(biāo)。

　　市場對于非侵入式和/或可穿戴設(shè)備的需求正在快速增長，而需要收集數(shù)據(jù)的復(fù)雜性也在提高，在數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)節(jié)和處理方面增大了技術(shù)挑戰(zhàn)。對于醫(yī)療應(yīng)用尤其如此，數(shù)據(jù)測量必須可靠、準(zhǔn)確且安全。

　　測量心率有兩種主要方法。第一種是利用光學(xué)技術(shù)檢測血液流過靠近皮膚血管時光吸收或反射度的變化。光學(xué)技術(shù)也可用于估計血液中的氧飽和度（脈搏血氧飽和度），而面臨主要的技術(shù)挑戰(zhàn)是低功耗、環(huán)境光抑制和環(huán)境噪聲消除等。

　　第二種方法是生物電位測量，使用電壓感測電極來檢測心肌組織產(chǎn)生并傳遞到皮膚的電活動，該數(shù)據(jù)用于生成心電圖（ECG），醫(yī)學(xué)專家廣泛使用心電圖來確定心臟健康狀況。生物阻抗測量也可以用來確定呼吸速率和相對強度，與該方法相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)包括低功率運行、運動補償和消除噪聲以及其他干擾。

　　1、光脈沖血氧儀

　　幸運的是，對于開發(fā)人員來說，現(xiàn)在市場已經(jīng)可以提供許多用于心率監(jiān)視器的專用光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如，MaximIntegrated的MAX86140經(jīng)過專門優(yōu)化，可用于通過手腕、手指、耳朵和其他位置連接的監(jiān)視器來測量光學(xué)心率、氧飽和度和肌肉氧飽和度等參數(shù)。

　　光學(xué)心率監(jiān)測通常需要單個光源，但脈搏血氧計則需要兩個。為了獲得極高的精度并增大可能的測量范圍，通常采用多個光源。MAX86140和MAX86141分別提供單個和雙光學(xué)通道。

　　在發(fā)射器端，可配置三個可編程高電流LED驅(qū)動器，以驅(qū)動多達(dá)6個LED。由于兩個器件通過主從模式工作，LED驅(qū)動器可以驅(qū)動多達(dá)12個LED。這些器件的一個關(guān)鍵特性是其強大的專有環(huán)境光消除（ALC）電路，特別適用于在明亮條件下確保精度。此外，該系統(tǒng)也可以應(yīng)對光照水平的快速變化。

　　其他主要功能包括具有19位Σ-Δ型ADC的低噪聲信號調(diào)節(jié)模擬前端（AFE）、電壓基準(zhǔn)和溫度傳感器。ADC輸出數(shù)據(jù)速率可以從8到8192個采樣進(jìn)行編程，這些器件只需極少的外部硬件。128字FIFO能夠為數(shù)字輸出數(shù)據(jù)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電源供電，具有獨立的3.1V至5VLED驅(qū)動器電源，可提供多種節(jié)能設(shè)置。它們具有靈活的定時和關(guān)閉配置以及對各個功能塊的控制，可以在最低功率水平下實現(xiàn)優(yōu)化測量。在低于128sps的較低采樣率下，可采用動態(tài)斷電模式。當(dāng)傳感器不與皮膚接觸時，接近模式可以幫助降低能量消耗。

　　光學(xué)控制器能夠配置用于各種測量。可以按順序施加脈沖到一個、兩個或三個LED驅(qū)動器，根據(jù)脈搏血氧儀的要求進(jìn)行多個波長的測量。當(dāng)LED驅(qū)動器同時被脈沖時，可以在腕戴式設(shè)備上進(jìn)行心率測量。可以調(diào)節(jié)LED驅(qū)動電平以補償增大的干擾環(huán)境信號等噪聲水平。

　　2、生物電位ECG測量

　　心電圖可測量心率，并可提供具體信號的詳細(xì)信息，為專業(yè)人員進(jìn)行心臟檢查提供更多細(xì)節(jié)。它還允許在健身應(yīng)用中進(jìn)行更可靠的心率監(jiān)測，特別是在使用胸帶的情況下。與具有同樣精度水平的光學(xué)傳感器相比，生物電位測量通常需要低很多的功率。然而，ECG信號的處理同樣會迅速消耗電池電量。此外，ECG讀數(shù)容易受到運動和其他干擾源影響。因此，在健身應(yīng)用中，運動補償尤其重要，并且運動本身也可能是重要的噪聲源。

　　同樣，特定的專用器件可用于此類應(yīng)用。MaximIntegrated的MAX30003為一款用于可穿戴應(yīng)用的完整生物電位模擬前端（AFE）解決方案，參見圖3。該單通道器件具有臨床級ECGAFE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(hù)、EMI濾波、內(nèi)部引線偏置、DC引線斷開檢測和軟上電排序。高輸入阻抗可確保在干啟動（drystart）期間輸入端的信號有最小衰減。

　　通過確保AFE具有盡可能高的共模抑制比（CMRR）可以實現(xiàn)運動補償，并消除運動偽影的干擾。MAX30003具有高達(dá)115dB的CMRR特性，可選的引線偏置電阻有助于提高CMRR，并可提高輸入阻抗。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非常重要。對于健身應(yīng)用，單電源高通轉(zhuǎn)角頻率（high-passcornerfrequency）應(yīng)設(shè)置為5Hz，而對于臨床應(yīng)用，通?？山抵?.5Hz或0.05Hz。對于體育運動，共模低通轉(zhuǎn)角頻率可設(shè)定為34Hz，這是在干啟動時限制衣物噪聲的最佳水平。

　　MAX30003在1.1V電源電壓下具有85μW的超低功耗，由此可延長電池使用壽命。引線導(dǎo)通檢測功能可在待機/深度睡眠模式（70nA）期間運行，32字FIFO可包含多達(dá)32個ECG數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，從而節(jié)省主微控制器的處理資源，因為它可以長時間保持睡眠狀態(tài)，從而能夠降低功耗。同樣，MCU可以編程不處理潛在的無效數(shù)據(jù)，用于R-R峰值間隔的內(nèi)置算法可進(jìn)一步節(jié)省功耗，因此MCU僅消耗約1μA的功率，而如果所有這些功能都由主MCU實現(xiàn)則可多消耗50至100倍的功耗。

　　非常有用的是，Maxim提供了一個設(shè)計平臺，可用于開發(fā)基于該器件的可穿戴健康或健身產(chǎn)品。MAXREFDES100健康傳感器平臺包括用于單個PCB的所有硬件構(gòu)建模塊，并可提供基于ARMmbed的編程板作為硬件開發(fā)套件（HDK）。除MAX30003外，MAX30101還通過光學(xué)元件（包括LED和光電探測器）以及具有環(huán)境光抑制功能的低噪聲電子元件增加了脈搏血氧測定功能。另外還有MAX30205臨床級溫度傳感器，推薦的功率模塊是MAX14750，能夠為MCU、AFE和數(shù)字接口提供多路輸出。