選擇不同心率檢測技術(shù)的工程師指南

心率數(shù)據(jù)可以提供有關(guān)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(dāng)今的無線和可穿戴技術(shù)不僅可以非侵入式地收集復(fù)雜數(shù)據(jù)，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(shù)為可穿戴設(shè)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(lǐng)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(fēng)險。即使在醫(yī)院病房，護士現(xiàn)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(shè)備的需求正在上升，而要收集的數(shù)據(jù)的復(fù)雜性也在增加，在數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理和處理方面增加了重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。特別是對于醫(yī)療應(yīng)用，測量必須可靠、準(zhǔn)確和安全。

測量心率有兩種主要方法。第一種利用光學(xué)技術(shù)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(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）。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。

第二種方法是生物電勢測量，它使用電壓感應(yīng)電極來檢測心肌組織產(chǎn)生的電活動，該電活動會傳輸?shù)狡つw。這些數(shù)據(jù)用于生成心電圖 （ECG），醫(yī)學(xué)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(guān)的關(guān)鍵技術(shù)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(yīng)用的光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(xué)心率、氧飽和度和肌肉氧飽和度。

雖然光學(xué)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(zhǔn)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(qū)動器可配置為驅(qū)動多達 6 個 LED。兩個器件在主從模式下工作，LED 驅(qū)動器可以驅(qū)動多達 12 個 LED。這些設(shè)備的一個關(guān)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(zhǔn)確性特別有用。此外，該系統(tǒng)可以應(yīng)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(zhǔn)和溫度傳感器的低噪聲信號調(diào)理模擬前端 （AFE）。ADC 輸出數(shù)據(jù)速率可設(shè)置為 8 至 8192 個樣本。這些設(shè)備需要最少的外部硬件。一個 128 字 FIFO 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 主電源電壓和獨立的 3.1V 至 5V LED 驅(qū)動器電源，提供許多節(jié)能設(shè)施。它們具有靈活的定時和關(guān)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(dāng)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(xué)控制器可以配置用于各種測量。一個、兩個或三個 LED 驅(qū)動器可以按順序發(fā)出脈沖，根據(jù)脈搏血氧飽和度的要求在多個波長下進行測量。當(dāng) LED 驅(qū)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{(diào)整 LED 驅(qū)動電平以補償增加的噪聲電平，例如當(dāng)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(guān)單個信號的詳細(xì)信息，為專業(yè)人員提供心臟檢查的更多詳細(xì)信息。它還允許在健身應(yīng)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(xué)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(shù)對運動和其他干擾源高度敏感。因此，在健身應(yīng)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(yīng)用特定設(shè)備可用于此類應(yīng)用?？紤]一下 Maxim Integrated 的MAX30003，它被描述為適用于可穿戴應(yīng)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(shè)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(nèi)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(xiàn)的。MAX30003 的 CMRR 特性通常高達 115dB?？蛇x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(yīng)用，單功率高通拐角頻率應(yīng)設(shè)置為 5Hz，而對于臨床應(yīng)用，通?？梢缘椭?0.5Hz 或 0.05Hz。對于運動用途，可將共模低通角設(shè)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(dǎo)聯(lián)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)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(shù)據(jù)。用于 RR 峰值間隔的內(nèi)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(shè)計平臺，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單個 PCB上的硬件構(gòu)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(nèi)的光學(xué)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(shù)字接口提供多個輸出。

審核編輯：郭婷