簡(jiǎn)化脈率／血氧可穿戴設備的設計

用于個(gè)人健康和保健的可穿戴設備是一個(gè)快速增長(cháng)的市場(chǎng)。有腕帶設備（以 Fitbit 和 Garmin 等為代表），但它們只是一個(gè)起點(diǎn)。人們還對用于監測心率和血氧 （SpO2） 水平的更先進(jìn)的可穿戴設備產(chǎn)生了極大的興趣，因為這些設備提供了對心臟功能和健康的重要洞察。為了獲得最大的洞察力，這種監控需要 24/7（或幾乎如此）在活動(dòng)和休息狀態(tài)下進(jìn)行。

用于個(gè)人健康和保健的可穿戴設備是一個(gè)快速增長(cháng)的市場(chǎng)。有腕帶設備（以 Fitbit 和 Garmin 等為代表），但它們只是一個(gè)起點(diǎn)。人們還對用于監測心率和血氧 （SpO2） 水平的更先進(jìn)的可穿戴設備產(chǎn)生了極大的興趣，因為這些設備提供了對心臟功能和健康的重要洞察。為了獲得最大的洞察力，這種監控需要 24/7（或幾乎如此）在活動(dòng)和休息狀態(tài)下進(jìn)行。
有趣的是，心率和血氧水平的測量呈現出兩種截然不同的情況，但它們正在趨同。顯然，心率是一個(gè)非侵入性的、易于測量的參數，至少在原則上是這樣：您所需要的只是接觸受試者的手腕、測量時(shí)間的手表，或許還有其他人來(lái)讀取讀數。然而，盡管這樣做顯然很容易，但它不能連續進(jìn)行，盡管可以經(jīng)常進(jìn)行——但受試者必須處于坐姿（靜止）模式。
血氧讀數呈現出一個(gè)非常不同的故事。［氧飽和度是指血液中氧飽和血紅蛋白相對于總血紅蛋白（不飽和+飽和）的分數。］直到 1970 年代，它只能通過(guò)采集血樣然后將其送到醫院的侵入性程序來(lái)測量。實(shí)驗室。從很多方面來(lái)看，這顯然是一個(gè)令人不快甚至有風(fēng)險的場(chǎng)景，并且顯然限制了更新的頻率（而且成本也很高）。然而，使用通過(guò)皮膚和血管在兩個(gè)不同波長(cháng)的光學(xué)衰減讀數，可以準確、連續和實(shí)時(shí)地確定 SpO2 水平。
為什么要考慮參考設計？
如果一個(gè)有效的脈搏血氧飽和度系統只需要幾個(gè) LED、光電傳感器和 IC，這似乎是一個(gè)相當簡(jiǎn)單的設計和故事的結尾。然而，現實(shí)要復雜得多，在大多數現實(shí)世界的測試和測量情況下幾乎總是如此，尤其是在醫療應用中。
這就是 Maxim 開(kāi)發(fā)MAXREFDES117#參考設計的原因，這是一款低功耗、光學(xué)心率模塊，包括集成的紅色和 IR LED 以及電源。這塊小板（僅 0.5in × 0.5in/1.25cm × 1.25cm，圖 1）可以放在手指或耳垂上以準確檢測心率。它包括一個(gè)心率/SpO2 傳感器 （MAX30102）、一個(gè)降壓轉換器 （MAX1921）和一個(gè)精確的電平轉換器 （MAX14595）。

圖 1. 使用 MAXREFDES117# 參考設計，設計人員可以測試他們的想法并將其集成到更大的醫療設備中。

MAXREFDES117# 參考設計解決了哪些心率檢測挑戰？首先，基本傳感器數據被噪聲（例如微小的用戶(hù)移動(dòng)）以及其他異常破壞。此外，透光率與被測量的兩個(gè)參數（尤其是 SpO2）之間的關(guān)系不是簡(jiǎn)單的表格查找或數據與最終答案之間的曲線(xiàn)擬合。相反，它相當復雜，需要校準、補償和確定一些方程常數，以及允許組件變化、溫度系數和其他因素。甚至測試和驗證結果也是一項挑戰。
但緊湊、完整的硬件只是所需設計的一部分。該模塊可與 Arduino 和 ARM? mbed? 平臺一起使用，以實(shí)現快速測試、開(kāi)發(fā)和系統集成。它還在示例固件中包含一個(gè)基本的開(kāi)源心率和 SpO2 算法。
包含用戶(hù)可以根據需要修改和改進(jìn)的心率算法是參考設計故事的主要部分。在 AACN 重癥監護程序手冊中，Sandra L. Schutz 詳細說(shuō)明了為什么從原始傳感器讀數到有意義、準確的讀數的路徑是復雜而微妙的。這取決于應用場(chǎng)景（例如 sedate v. active），這就是為什么算法本身可能需要 OEM 進(jìn)行微調的原因；為運動(dòng)中的運動(dòng)員設計的產(chǎn)品在外形、用戶(hù)界面甚至算法細節上都不同于專(zhuān)為靜止對象設計的產(chǎn)品。這些場(chǎng)景屬于運動(dòng)拒絕的類(lèi)別。誠然，MAXREFDES117# 沒(méi)有加速度計，也沒(méi)有后續的運動(dòng)抑制。
要使參考設計運行，用戶(hù)必須做一件簡(jiǎn)單的事情：只需添加 2V 至 5.5V 電源；功耗約為 5mW，電流需求在低個(gè)位數 mA 范圍內。BOM、原理圖、布局文件和 Gerber 文件都可以從Maxim 網(wǎng)站的設計資源選項卡中獲得。如果這還不夠，參考設計的電路板甚至可以從 Maxim 購買(mǎi)。
Maxim 參考設計非常完整，用戶(hù)可以將其按原樣打包到最終產(chǎn)品中，從而避免“重新發(fā)明輪子”（可以這么說(shuō)）用于光電容積脈搏圖 （PPG） 的基本現成設計-基于光學(xué)的心率/SpO2 傳感器?；蛘?，他們可以將其用作大型醫療設備的一部分，同時(shí)檢測、測量和監控多個(gè)健康和活動(dòng)參數。

（作者：David Andeen）