不同心率檢測技術(shù)的工程師選擇指南

心率數據可以提供有關(guān)個(gè)人身體狀況的非常有價(jià)值信息，通過(guò)檢測心律失常等不規則現象，心率數據可用于從個(gè)人健身監測，到醫院級患者監測的生命體征等應用。當今的無(wú)線(xiàn)和可穿戴技術(shù)不僅可以通過(guò)非侵入性方式收集復雜數據，還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和顯示，并可存儲以供日后使用。

這種技術(shù)為可穿戴設備開(kāi)辟了新的健身和保健消費市場(chǎng)，促進(jìn)了健身手帶和胸帶等運動(dòng)監視器的應用。在醫療領(lǐng)域，非侵入式心率監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(wèn)題。甚至在醫院的病房中，護士現在也可以使用簡(jiǎn)單的手握心率監測器和便攜式分析儀對患者進(jìn)行定期“觀(guān)察”動(dòng)脈血氧飽和度、呼吸率和水合水平等指標。

市場(chǎng)對于非侵入式和/或可穿戴設備的需求正在快速增長(cháng)，而需要收集數據的復雜性也在提高，在數據采集、信號調節和處理方面增大了技術(shù)挑戰。對于醫療應用尤其如此，數據測量必須可靠、準確且安全。

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(guò)靠近皮膚血管時(shí)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(lái)檢測心肌組織產(chǎn)生并傳遞到皮膚的電活動(dòng)，該數據用于生成心電圖（ECG），醫學(xué)專(zhuān)家廣泛使用心電圖來(lái)確定心臟健康狀況。生物阻抗測量也可以用來(lái)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)挑戰包括低功率運行、運動(dòng)補償和消除噪聲以及其他干擾。

光脈沖血氧儀

幸運的是，對于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，現在市場(chǎng)已經(jīng)可以提供許多用于心率監視器的專(zhuān)用光學(xué)數據采集系統。例如，Maxim Integrated的MAX86140經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)優(yōu)化，可用于通過(guò)手腕、手指、耳朵和其他位置連接的監視器來(lái)測量光學(xué)心率、氧飽和度和肌肉氧飽和度等參數。

光學(xué)心率監測通常需要單個(gè)光源，但脈搏血氧計則需要兩個(gè)。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(gè)光源。MAX86140和MAX86141分別提供單個(gè)和雙光學(xué)通道。

在發(fā)射器端，可配置三個(gè)可編程高電流LED驅動(dòng)器，以驅動(dòng)多達6個(gè)LED。由于兩個(gè)器件通過(guò)主從模式工作，LED驅動(dòng)器可以驅動(dòng)多達12個(gè)LED。這些器件的一個(gè)關(guān)鍵特性是其強大的專(zhuān)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，該系統也可以應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的低噪聲信號調節模擬前端（AFE）、電壓基準和溫度傳感器。 ADC輸出數據速率可以從8到8192個(gè)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電源供電，具有獨立的3.1V至5V LED驅動(dòng)器電源，可提供多種節能設置。它們具有靈活的定時(shí)和關(guān)閉配置以及對各個(gè)功能塊的控制，可以在最低功率水平下實(shí)現優(yōu)化測量。在低于128sps的較低采樣率下，可采用動(dòng)態(tài)斷電模式。當傳感器不與皮膚接觸時(shí)，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?？梢园错樞蚴┘用}沖到一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)LED驅動(dòng)器，根據脈搏血氧儀的要求進(jìn)行多個(gè)波長(cháng)的測量。當LED驅動(dòng)器同時(shí)被脈沖時(shí)，可以在腕戴式設備上進(jìn)行心率測量?？梢哉{節LED驅動(dòng)電平以補償增大的干擾環(huán)境信號等噪聲水平。

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信息，為專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行心臟檢查提供更多細節。它還允許在健身應用中進(jìn)行更可靠的心率監測，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(huì )迅速消耗電池電量。此外，ECG讀數容易受到運動(dòng)和其他干擾源影響。因此，在健身應用中，運動(dòng)補償尤其重要，并且運動(dòng)本身也可能是重要的噪聲源。

同樣，特定的專(zhuān)用器件可用于此類(lèi)應用。Maxim Integrated的MAX30003為一款用于可穿戴應用的完整生物電位模擬前端（AFE）解決方案，參見(jiàn)圖3。該單通道器件具有臨床級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(xiàn)偏置、DC引線(xiàn)斷開(kāi)檢測和軟上電排序。高輸入阻抗可確保在干啟動(dòng)（dry start）期間輸入端的信號有最小衰減。

通過(guò)確保AFE具有盡可能高的共模抑制比（CMRR）可以實(shí)現運動(dòng)補償，并消除運動(dòng)偽影的干擾。 MAX30003具有高達115dB的CMRR特性，可選的引線(xiàn)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(lái)自靜電和高頻信號的噪聲非常重要。對于健身應用，單電源高通轉角頻率（high-pass corner frequency）應設置為5Hz，而對于臨床應用，通?？山抵?.5Hz或0.05Hz。對于體育運動(dòng)，共模低通轉角頻率可設定為34Hz，這是在干啟動(dòng)時(shí)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(cháng)電池使用壽命。引線(xiàn)導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32個(gè)ECG數據轉換結果，從而節省主微控制器的處理資源，因為它可以長(cháng)時(shí)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(wú)效數據，用于R-R峰值間隔的內置算法可進(jìn)一步節省功耗，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(shí)現則可多消耗50至100倍的功耗。

非常有用的是，Maxim提供了一個(gè)設計平臺，可用于開(kāi)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(gè)PCB的所有硬件構建模塊，并可提供基于A(yíng)RM mbed的編程板作為硬件開(kāi)發(fā)套件（HDK）。除MAX30003外，MAX30101還通過(guò)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和數字接口提供多路輸出。