光電容積脈搏波描記術(shù)（PPG）是一種用于心率監(jiān)測(cè)儀（HRM）和外周毛細(xì)血管氧飽和度（SpO2）測(cè)量的流行光學(xué)技術(shù)。它簡易方便，因?yàn)橹恍鑼?a target="_blank">LED和光電探測(cè)器（PD）連接到身體上即可。

PPG的基本理論基于人體組織的光吸收變化，這與氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的相對(duì)濃度的變化相關(guān)。由心臟收縮和舒張引起的血容量變化可用于估計(jì)動(dòng)脈血氧飽和度。

PPG信號(hào)易受運(yùn)動(dòng)偽影的影響，這取決于光源的波長。光吸收以及因此進(jìn)入組織的穿透深度取決于波長。紅外和近紅外（NIR）等較長波長的吸收相對(duì)較低，可實(shí)現(xiàn)更深入的組織穿透。諸如綠色和藍(lán)色等波長較短的光被黑色素強(qiáng)烈吸收；因此，進(jìn)入組織的穿透深度相對(duì)較淺。因此，紅色和近紅外光PPG受制于偽影，而綠色和藍(lán)色光PPG相對(duì)沒有偽影。

圖1所示為波長為400至1,000 nm的光信號(hào)的皮膚穿透深度。

圖1：顯示一系列不同波長光源的光學(xué)穿透深度（δ）

在多路復(fù)用配置中使用多個(gè)LED和PD可實(shí)現(xiàn)多波長測(cè)量和監(jiān)測(cè)。每個(gè)二極管和檢測(cè)器可支持不同波長，也可以多路復(fù)用的方式（在不同的采樣階段）使用，以監(jiān)控不同的參數(shù)。

采用Bluetooth?5的多波長光學(xué)HRM和SpO2監(jiān)控參考設(shè)計(jì)采用AFE4420單芯片生物傳感前端，同時(shí)支持四個(gè)LED和四路時(shí)分多路復(fù)用光電探測(cè)器輸入。它集成了靈活的LED驅(qū)動(dòng)器和光電探測(cè)器的完整接收器鏈。

信號(hào)采集最多可在16相完成，且每相都可靈活分配LED和PD（參見圖2）。

它與CC2640R2FSimpleLink?藍(lán)牙低功耗無線微控制器（MCU）通信，后者通過串行外設(shè)接口或I2C集成了Arm?Cortex?-M3和2.4-GHz射頻（RF）收發(fā)器。該設(shè)計(jì)支持使用聯(lián)合測(cè)試行為組織連接捕獲有線數(shù)據(jù)，并通過Bluetooth 5將其發(fā)送捕獲無線數(shù)據(jù)。

圖2: 多波長光學(xué)HRM和SpO2監(jiān)控參考設(shè)計(jì)框圖

該設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)包括：

用于計(jì)算心率、SpO2和其它相關(guān)參數(shù)的原始PPG數(shù)據(jù)。AFE4420在市場(chǎng)上具有獨(dú)特的集成度、低功耗和尺寸，并提供超低功耗模式的靈活性和集成的先進(jìn)先出功能，可使MCU保持睡眠模式，以延長電池壽命。

使用CC2640R2F實(shí)現(xiàn)無線連接。CC264R2F集成Arm Cortex-M3和2.4-GHz RF收發(fā)器支持Bluetooth 4.2和5.0配置文件，也可用作主機(jī)處理器。內(nèi)部DC/DC換器有助于提高整體系統(tǒng)效率并延長電池壽命。內(nèi)置的低電池檢測(cè)算法有助于減少可穿戴應(yīng)用中的外部組件。

使用紐扣電池進(jìn)行低功耗操作。該設(shè)計(jì)采用單個(gè)3-V、500 mA Cr3032紐扣電池，經(jīng)測(cè)試可連續(xù)運(yùn)行100小時(shí)；若不間斷傳送，則電池壽命為30天。

該參考設(shè)計(jì)專為醫(yī)療、個(gè)人健康護(hù)理和健身應(yīng)用而設(shè)計(jì)，并附有設(shè)計(jì)指南、原理圖、布局圖和物料清單文件，可助您快速評(píng)估和加速產(chǎn)品開發(fā)。它有助于實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄功能，并支持針對(duì)不同配置的優(yōu)化。

您在HRM和SpO2監(jiān)測(cè)應(yīng)用中面臨的最大挑戰(zhàn)是什么？