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。其用途范圍從個(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)患者的生命體征監(jiān)測(cè)。今天的無線和可穿戴技術(shù)不僅可以非侵入性地收集復(fù)雜數(shù)據(jù)，還可以即時(shí)分析和顯示這些數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)以供以后分析。

這種技術(shù)為可穿戴設(shè)備開辟了新的健身和健康消費(fèi)市場(chǎng)，如健身手環(huán)和胸帶運(yùn)動(dòng)監(jiān)視器。在醫(yī)療領(lǐng)域，非侵入性心率監(jiān)測(cè)用于識(shí)別諸如心臟血流量減少之類的問題，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)單的手指握住心率監(jiān)測(cè)儀和便攜式分析儀進(jìn)行定期“觀察”，例如動(dòng)脈血氧飽和度，呼吸速率和水合水平。

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，這在數(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)來檢測(cè)血液通過靠近皮膚的血管時(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，生物電勢(shì)測(cè)量，使用電壓傳感電極來檢測(cè)心肌組織產(chǎn)生的電活動(dòng)，其傳遞到皮膚。這些數(shù)據(jù)用于生成心電圖（ECG），被醫(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)振幅。與這種方法相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)是低功耗操作，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和對(duì)抗其他干擾，如噪聲。

光學(xué)脈搏血氧儀

幸運(yùn)的是，對(duì)于開發(fā)人員來說，有許多專用的、特定于應(yīng)用的用于心率監(jiān)測(cè)器的光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如，Maxim Integrated的MAX86140經(jīng)過優(yōu)化，可檢測(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、血氧飽和度和肌肉血氧飽和度。

光學(xué)心率監(jiān)測(cè)通常需要一個(gè)光源，而脈搏血氧儀需要兩個(gè)。為了獲得極高的精度并增加可能的測(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)射器側(cè)，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。當(dāng)兩個(gè)器件在主從模式下工作時(shí)，LED 驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)多達(dá) 12 個(gè) LED。這些器件的一個(gè)關(guān)鍵特性是其堅(jiān)固耐用的專有環(huán)境光消除（ALC）電路，對(duì)于確保明亮條件下的精度特別有用。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 Σ-Δ 型 ADC 的低噪聲信號(hào)調(diào)理模擬前端 （AFE）、基準(zhǔn)電壓源和溫度傳感器。ADC輸出數(shù)據(jù)速率可在8至8192個(gè)樣本范圍內(nèi)進(jìn)行編程。這些設(shè)備需要最少的外部硬件。128字FIFO為數(shù)字輸出數(shù)據(jù)提供片上存儲(chǔ)，并能夠連接到微控制器。

兩款器件均采用 1.8V 主電源電壓工作，具有獨(dú)立的 3.1V 至 5V LED 驅(qū)動(dòng)器電源，可提供許多節(jié)能功能。它們具有靈活的定時(shí)和關(guān)斷配置，以及單個(gè)塊的控制。這樣就可以在最低功率水平下優(yōu)化測(cè)量。動(dòng)態(tài)關(guān)斷模式可用于低于128 sps的較低采樣速率。接近模式功能可以在傳感器不與皮膚接觸時(shí)降低能耗。

光學(xué)控制器可以配置為各種測(cè)量。一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)器可以按順序脈沖，根據(jù)脈搏血氧儀的要求，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)脈沖時(shí)，可以在腕式設(shè)備上進(jìn)行心率測(cè)量。可以調(diào)節(jié)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)。

生物電勢(shì)心電圖測(cè)量

心電圖測(cè)量心率，并可以提供有關(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)，特別是在使用胸帶時(shí)。與光學(xué)傳感器相比，生物電勢(shì)測(cè)量通常需要的功率要少得多，精度水平相同。但是，ECG信號(hào)的處理會(huì)迅速消耗電池電量。此外，ECG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，運(yùn)動(dòng)也可能是噪聲的重要來源。

同樣，專用于特定應(yīng)用的設(shè)備可用于此類應(yīng)用。以Maxim集成版的MAX30003為例，它被描述為可穿戴應(yīng)用的完整生物電勢(shì)模擬前端（AFE）解決方案。參見圖2。這款單通道器件具有臨床級(jí)ECG AFE，具有高分辨率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 導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)和軟上電排序功能。高輸入阻抗確保在干啟動(dòng)期間輸入端的信號(hào)衰減最小。

通過確保AFE的共模抑制比（CMRR）盡可能高來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和消除運(yùn)動(dòng)偽像中的干擾。MAX30003具有CMRR特性，典型值為115dB。可選的引線偏置電阻器有助于改善 CMRR，并有助于實(shí)現(xiàn)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)于衰減靜電和高頻信號(hào)的噪聲非常重要。對(duì)于健身應(yīng)用，單功率高通轉(zhuǎn)折頻率應(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，共模低通角可以設(shè)置為34Hz，這是在干啟動(dòng)期間限制衣服噪音的最佳水平。

1.1V電源電壓下85 μW的超低功耗可延長(zhǎng)電池壽命。引出引出檢測(cè)功能在待機(jī)/深度睡眠模式 （70nA） 期間工作。32字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炙邥r(shí)間更長(zhǎng)，從而降低功耗。同樣，MCU也可以編程為不處理潛在的無效數(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，而MCU的功耗是MCU的50至100倍。

審核編輯：郭婷