心率數(shù)據(jù)可以提供有關(guān)個(gè)人身體狀況的寶貴信息。它的使用范圍從個(gè)人健康監(jiān)測(cè)到檢測(cè)心律失常等異常情況，再到醫(yī)院級(jí)患者生命體征監(jiān)測(cè)。當(dāng)今的無(wú)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(duì)其進(jìn)行即時(shí)分析和顯示，以及存儲(chǔ)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(fèi)市場(chǎng)，例如健身手環(huán)和胸帶運(yùn)動(dòng)監(jiān)視器。在醫(yī)療領(lǐng)域，無(wú)創(chuàng)心率監(jiān)測(cè)用于識(shí)別心臟血流減少等問(wèn)題，并評(píng)估心臟病發(fā)作和血栓形成等風(fēng)險(xiǎn)。即使在醫(yī)院病房，護(hù)士現(xiàn)在也可以使用簡(jiǎn)單的指握式心率監(jiān)測(cè)器和便攜式分析儀進(jìn)行定期“觀察”，例如動(dòng)脈血氧飽和度、呼吸頻率和水合水平。

對(duì)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(hào)調(diào)理和處理方面增加了重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。特別是對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用，測(cè)量必須可靠、準(zhǔn)確和安全。

測(cè)量心率有兩種主要方法。第一種利用光學(xué)技術(shù)檢測(cè)血液通過(guò)靠近皮膚的血管時(shí)光吸收或反射的變化。光學(xué)技術(shù)也可用于估計(jì)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(shì)測(cè)量，它使用電壓感應(yīng)電極來(lái)檢測(cè)心肌組織產(chǎn)生的電活動(dòng)，該電活動(dòng)會(huì)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(cè)量還可以確定呼吸速率和相對(duì)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(yùn)行、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和對(duì)抗其他干擾，例如噪聲。

光脈沖血氧計(jì)

對(duì)開發(fā)人員來(lái)說(shuō)幸運(yùn)的是，有許多用于心率監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)通常需要一個(gè)光源，但脈搏血氧儀需要兩個(gè)。為了獲得驚人的準(zhǔn)確性并增加可能的測(cè)量范圍，通常使用多個(gè)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(gè)可編程大電流 LED 驅(qū)動(dòng)器可配置為驅(qū)動(dòng)多達(dá) 6 個(gè) LED。兩個(gè)器件在主從模式下工作，LED 驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)多達(dá) 12 個(gè) LED。這些設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵特性是其強(qiáng)大的專有環(huán)境光消除 （ALC） 電路，對(duì)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(duì)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(hào)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(gè)樣本。這些設(shè)備需要最少的外部硬件。一個(gè) 128 字 FIFO 為數(shù)字輸出數(shù)據(jù)提供片上存儲(chǔ)，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(dú)立的 3.1V 至 5V LED 驅(qū)動(dòng)器電源，提供許多節(jié)能設(shè)施。它們具有靈活的定時(shí)和關(guān)閉配置以及對(duì)各個(gè)塊的控制。這可以在最小功率水平下進(jìn)行優(yōu)化測(cè)量。動(dòng)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(shí)，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(cè)量。一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)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(gè)波長(zhǎng)下進(jìn)行測(cè)量。當(dāng) LED 驅(qū)動(dòng)器同時(shí)發(fā)出脈沖時(shí)，可以在腕戴式裝置上進(jìn)行心率測(cè)量。可以調(diào)整 LED 驅(qū)動(dòng)電平以補(bǔ)償增加的噪聲電平，例如當(dāng)存在高干擾環(huán)境信號(hào)時(shí)。

生物電位心電圖測(cè)量

心電圖可測(cè)量心率并提供有關(guān)單個(gè)信號(hào)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(jìn)行更可靠的心率監(jiān)測(cè)，尤其是在使用胸帶時(shí)。與具有相同精度水平的光學(xué)傳感器相比，生物電勢(shì)測(cè)量通常需要更少的功率。然而，心電圖信號(hào)的處理會(huì)迅速消耗電池電量。此外，心電圖讀數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)和其他干擾源高度敏感。因此，在健身應(yīng)用中，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償尤為重要，而運(yùn)動(dòng)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。考慮一下 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(shì)模擬前端 （AFE） 解決方案。請(qǐng)參見(jiàn)圖 2。這款單通道設(shè)備具有臨床級(jí) 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(hù)、EMI 濾波、內(nèi)部引線偏置、直流引線斷開檢測(cè)和軟上電排序。高輸入阻抗確保干啟動(dòng)期間輸入端的信號(hào)衰減最小。

運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和消除運(yùn)動(dòng)偽影的干擾是通過(guò)確保 AFE 的共模抑制比 （CMRR） 盡可能高來(lái)實(shí)現(xiàn)的。MAX30003 的 CMRR 特性通常高達(dá) 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(xiàng)可用于限制帶寬，這對(duì)于衰減來(lái)自靜電和高頻信號(hào)的噪聲很重要。對(duì)于健身應(yīng)用，單功率高通拐角頻率應(yīng)設(shè)置為 5Hz，而對(duì)于臨床應(yīng)用，通常可以低至 0.5Hz 或 0.05Hz。對(duì)于運(yùn)動(dòng)用途，可將共模低通角設(shè)置為 34Hz，這是在干啟動(dòng)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(zhǎng)電池壽命。導(dǎo)聯(lián)檢測(cè)功能在待機(jī)/深度睡眠模式 （70nA） 期間工作。一個(gè) 32 字的 FIFO 可以包含多達(dá) 32 個(gè) ECG 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，從而節(jié)省主機(jī)微控制器的活動(dòng)，因?yàn)樗３中菝叩臅r(shí)間更長(zhǎng)，從而降低了功耗。同樣，可以對(duì) MCU 進(jìn)行編程，使其不處理潛在的無(wú)效數(shù)據(jù)。用于 RR 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 的電流，而托管在 MCU 上時(shí)則多 50 到 100 倍。

Maxim 提供了一個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)，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(tái)包括單個(gè) 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(guò)包括 LED 和光電探測(cè)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(jí)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(gè)輸出。

審核編輯：郭婷