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瑞彩祥云

作者:贸泽电子Robert Huntley時間:2019-08-07來源:電子産品世界收藏

心率數據可以提供有關個人身體狀況的非常有價值信息,通過檢測心律失常等不規則現象,心率數據可用于從個人健身監測,到醫院級患者監測的生命體征等應用。當今的無線和可穿戴技術不僅可以通過非侵入性方式收集複雜數據,還可以進行實時分析和顯示,並可存儲以供日後使用。

本文引用地址:/article/201908/403462.htm

這種技術爲可穿戴設備開辟了新的健身和保健消費市場,促進了健身手帶和胸帶等運動監視器的應用。在醫療領域,非侵入式心率監測可用于識別心髒血流減少,評估心髒病發作和血栓形成等風險和問題。甚至在醫院的病房中,護士現在也可以使用簡單的手握心率監測器和便攜式分析儀對患者進行定期“觀察”動脈血氧飽和度、呼吸率和水合水平等指標。

市場對于非侵入式和/或可穿戴設備的需求正在快速增長,而需要收集數據的複雜性也在提高,在數據采集、信號調節和處理方面增大了技術挑戰。對于醫療應用尤其如此,數據測量必須可靠、准確且安全。

測量心率有兩種主要方法。第一種是利用光學技術檢測血液流過靠近皮膚血管時光吸收或反射度的變化。光學技術也可用于估計血液中的氧飽和度(脈搏血氧飽和度),而面臨主要的技術挑戰是低功耗、環境光抑制和環境噪聲消除等。

第二種方法是生物電位測量,使用電壓感測電極來檢測心肌組織産生並傳遞到皮膚的電活動,該數據用于生成心電圖(ECG),醫學專家廣泛使用心電圖來確定心髒健康狀況。生物阻抗測量也可以用來確定呼吸速率和相對強度,與該方法相關的關鍵技術挑戰包括低功率運行、運動補償和消除噪聲以及其他幹擾。

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光脈沖血氧儀

幸运的是,对于开发人员来说,现在市场已经可以提供许多用于心率监视器的专用光学数据采集系统。例如,Maxim Integrated的MAX86140经过专门优化,可用于通过手腕、手指、耳朵和其他位置连接的监视器来测量光学心率、氧饱和度和肌肉氧饱和度等参数。

光學心率監測通常需要單個光源,但脈搏血氧計則需要兩個。爲了獲得極高的精度並增大可能的測量範圍,通常采用多個光源。MAX86140和MAX86141分別提供單個和雙光學通道。

在发射器端,可配置三个可编程高电流LED驱动器,以驱动多达6个LED。由于两个器件通过主从模式工作,LED驱动器可以驱动多达12个LED。这些器件的一个关键特性是其强大的专有环境光消除(ALC)電路,特别适用于在明亮条件下确保精度。此外,该系统也可以应对光照水平的快速变化。

其他主要功能包括具有19位Σ-Δ型ADC的低噪声信号调节模拟前端(AFE)、电压基准和温度傳感器。 ADC输出数据速率可以从8到8192个采样进行编程,这些器件只需极少的外部硬件。128字FIFO能够为数字输出数据提供片上存储,并可连接到微控制器。

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这两款器件均采用1.8V电源供电,具有独立的3.1V至5V LED驱动器电源,可提供多种节能设置。它们具有灵活的定时和關閉配置以及对各个功能块的控制,可以在最低功率水平下实现优化测量。在低于128sps的较低采样率下,可采用动态断电模式。当傳感器不与皮肤接触时,接近模式可以帮助降低能量消耗。

光學控制器能夠配置用于各種測量。可以按順序施加脈沖到一個、兩個或三個LED驅動器,根據脈搏血氧儀的要求進行多個波長的測量。當LED驅動器同時被脈沖時,可以在腕戴式設備上進行心率測量。可以調節LED驅動電平以補償增大的幹擾環境信號等噪聲水平。

生物電位ECG測量

心電圖可測量心率,並可提供具體信號的詳細信息,爲專業人員進行心髒檢查提供更多細節。它還允許在健身應用中進行更可靠的心率監測,特別是在使用胸帶的情況下。與具有同樣精度水平的光學傳感器相比,生物電位測量通常需要低很多的功率。然而,ECG信號的處理同樣會迅速消耗電池電量。此外,ECG讀數容易受到運動和其他幹擾源影響。因此,在健身應用中,運動補償尤其重要,並且運動本身也可能是重要的噪聲源。

同样,特定的专用器件可用于此类应用。Maxim Integrated的MAX30003为一款用于可穿戴应用的完整生物电位模拟前端(AFE)解决方案,参见图3。该单通道器件具有临床级ECG AFE和高分辨率ADC,可提供15.5位有效分辨率和5μV峰峰值噪声。此外,它还具有ESD保护、EMI滤波、内部引线偏置、DC引线断开检测和软上电排序。高输入阻抗可确保在干启动(dry start)期间输入端的信号有最小衰减。

通过确保AFE具有尽可能高的共模抑制比(CMRR)可以实现运动补偿,并消除运动伪影的干扰。 MAX30003具有高达115dB的CMRR特性,可选的引线偏置电阻有助于提高CMRR,并可提高输入阻抗。各种低通和高通濾波器选项可用于限制带宽,这对于衰减来自静电和高频信号的噪声非常重要。对于健身应用,单电源高通转角频率(high-pass corner frequency)应设置为5Hz,而对于临床应用,通常可降至0.5Hz或0.05Hz。对于体育运动,共模低通转角频率可设定为34Hz,这是在干启动时限制衣物噪声的最佳水平。

MAX30003在1.1V電源電壓下具有85μW的超低功耗,由此可延長電池使用壽命。引線導通檢測功能可在待機/深度睡眠模式(70nA)期間運行,32字FIFO可包含多達32個ECG數據轉換結果,從而節省主微控制器的處理資源,因爲它可以長時間保持睡眠狀態,從而能夠降低功耗。同樣,MCU可以編程不處理潛在的無效數據,用于R-R峰值間隔的內置算法可進一步節省功耗,因此MCU僅消耗約1μA的功率,而如果所有這些功能都由主MCU實現則可多消耗50至100倍的功耗。

非常有用的是,Maxim提供了一个設計平台,可用于开发基于该器件的可穿戴健康或健身产品。 MAXREFDES100健康傳感器平台包括用于单个PCB的所有硬件构建模块,并可提供基于ARM mbed的编程板作为硬件开发套件(HDK)。除MAX30003外,MAX30101还通过光学元件(包括LED和光电探测器)以及具有环境光抑制功能的低噪声电子元件增加了脉搏血氧测定功能。另外还有MAX30205临床级温度傳感器,推荐的功率模块是MAX14750,能够为MCU、AFE和数字接口提供多路输出。



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