不同心率檢測(cè)技術(shù)的工程師選擇指南

心率數(shù)據(jù)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(cè)心律失常等不規(guī)則現(xiàn)象，心率數(shù)據(jù)可用于從個(gè)人健身監(jiān)測(cè)，到醫(yī)院級(jí)患者監(jiān)測(cè)的生命體征等應(yīng)用。當(dāng)今的無(wú)線和可穿戴技術(shù)不僅可以通過(guò)非侵入性方式收集復(fù)雜數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和顯示，并可存儲(chǔ)以供日后使用。

這種技術(shù)為可穿戴設(shè)備開(kāi)辟了新的健身和保健消費(fèi)市場(chǎng)，促進(jìn)了健身手帶和胸帶等運(yùn)動(dòng)監(jiān)視器的應(yīng)用。在醫(yī)療領(lǐng)域，非侵入式心率監(jiān)測(cè)可用于識(shí)別心臟血流減少，評(píng)估心臟病發(fā)作和血栓形成等風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題。甚至在醫(yī)院的病房中，護(hù)士現(xiàn)在也可以使用簡(jiǎn)單的手握心率監(jiān)測(cè)器和便攜式分析儀對(duì)患者進(jìn)行定期“觀察”動(dòng)脈血氧飽和度、呼吸率和水合水平等指標(biāo)。

市場(chǎng)對(duì)于非侵入式和/或可穿戴設(shè)備的需求正在快速增長(zhǎng)，而需要收集數(shù)據(jù)的復(fù)雜性也在提高，在數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)節(jié)和處理方面增大了技術(shù)挑戰(zhàn)。對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用尤其如此，數(shù)據(jù)測(cè)量必須可靠、準(zhǔn)確且安全。

測(cè)量心率有兩種主要方法。第一種是利用光學(xué)技術(shù)檢測(cè)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(jì)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(zhàn)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(cè)量，使用電壓感測(cè)電極來(lái)檢測(cè)心肌組織產(chǎn)生并傳遞到皮膚的電活動(dòng)，該數(shù)據(jù)用于生成心電圖（ECG），醫(yī)學(xué)專家廣泛使用心電圖來(lái)確定心臟健康狀況。生物阻抗測(cè)量也可以用來(lái)確定呼吸速率和相對(duì)強(qiáng)度，與該方法相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)包括低功率運(yùn)行、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和消除噪聲以及其他干擾。

光脈沖血氧儀

幸運(yùn)的是，對(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在市場(chǎng)已經(jīng)可以提供許多用于心率監(jiān)視器的專用光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如，Maxim Integrated的MAX86140經(jīng)過(guò)專門(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(jiān)視器來(lái)測(cè)量光學(xué)心率、氧飽和度和肌肉氧飽和度等參數(shù)。

光學(xué)心率監(jiān)測(cè)通常需要單個(gè)光源，但脈搏血氧計(jì)則需要兩個(gè)。為了獲得極高的精度并增大可能的測(cè)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(qū)動(dòng)器，以驅(qū)動(dòng)多達(dá)6個(gè)LED。由于兩個(gè)器件通過(guò)主從模式工作，LED驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)12個(gè)LED。這些器件的一個(gè)關(guān)鍵特性是其強(qiáng)大的專有環(huán)境光消除（ALC）電路，特別適用于在明亮條件下確保精度。此外，該系統(tǒng)也可以應(yīng)對(duì)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(hào)調(diào)節(jié)模擬前端（AFE）、電壓基準(zhǔn)和溫度傳感器。 ADC輸出數(shù)據(jù)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?yàn)閿?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電源供電，具有獨(dú)立的3.1V至5V LED驅(qū)動(dòng)器電源，可提供多種節(jié)能設(shè)置。它們具有靈活的定時(shí)和關(guān)閉配置以及對(duì)各個(gè)功能塊的控制，可以在最低功率水平下實(shí)現(xiàn)優(yōu)化測(cè)量。在低于128sps的較低采樣率下，可采用動(dòng)態(tài)斷電模式。當(dāng)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(cè)量。可以按順序施加脈沖到一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)脈搏血氧儀的要求進(jìn)行多個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)量。當(dāng)LED驅(qū)動(dòng)器同時(shí)被脈沖時(shí)，可以在腕戴式設(shè)備上進(jìn)行心率測(cè)量?？梢哉{(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)電平以補(bǔ)償增大的干擾環(huán)境信號(hào)等噪聲水平。

生物電位ECG測(cè)量

心電圖可測(cè)量心率，并可提供具體信號(hào)的詳細(xì)信息，為專業(yè)人員進(jìn)行心臟檢查提供更多細(xì)節(jié)。它還允許在健身應(yīng)用中進(jìn)行更可靠的心率監(jiān)測(cè)，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(cè)量通常需要低很多的功率。然而，ECG信號(hào)的處理同樣會(huì)迅速消耗電池電量。此外，ECG讀數(shù)容易受到運(yùn)動(dòng)和其他干擾源影響。因此，在健身應(yīng)用中，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償尤其重要，并且運(yùn)動(dòng)本身也可能是重要的噪聲源。

同樣，特定的專用器件可用于此類應(yīng)用。Maxim Integrated的MAX30003為一款用于可穿戴應(yīng)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(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、DC引線斷開(kāi)檢測(cè)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(hào)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，并消除運(yùn)動(dòng)偽影的干擾。 MAX30003具有高達(dá)115dB的CMRR特性，可選的引線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(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)的噪聲非常重要。對(duì)于健身應(yīng)用，單電源高通轉(zhuǎn)角頻率（high-pass corner frequency）應(yīng)設(shè)置為5Hz，而對(duì)于臨床應(yīng)用，通常可降至0.5Hz或0.05Hz。對(duì)于體育運(yùn)動(dòng)，共模低通轉(zhuǎn)角頻率可設(shè)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(zhǎng)電池使用壽命。引線導(dǎo)通檢測(cè)功能可在待機(jī)/深度睡眠模式（70nA）期間運(yùn)行，32字FIFO可包含多達(dá)32個(gè)ECG數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，從而節(jié)省主微控制器的處理資源，因?yàn)樗梢蚤L(zhǎng)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(shù)據(jù)，用于R-R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的功率，而如果所有這些功能都由主MCU實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)平臺(tái)，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(tái)包括用于單個(gè)PCB的所有硬件構(gòu)建模塊，并可提供基于ARM 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(cè)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(cè)定功能。另外還有MAX30205臨床級(jí)溫度傳感器，推薦的功率模塊是MAX14750，能夠?yàn)镸CU、AFE和數(shù)字接口提供多路輸出。