选择不同心率检测技术的工程师指南

心率数据可以提供有关个人身体状况的宝贵信息。它的使用范围从个人健康监测到检测心律失常等异常情况，再到医院级患者生命体征监测。当今的无线和可穿戴技术不仅可以非侵入式地收集复杂数据，还可以对其进行即时分析和显示，以及存储以供日后分析。

此类技术为可穿戴设备开辟了新的健身和健康消费市场，例如健身手环和胸带运动监视器。在医疗领域，无创心率监测用于识别心脏血流减少等问题，并评估心脏病发作和血栓形成等风险。即使在医院病房，护士现在也可以使用简单的指握式心率监测器和便携式分析仪进行定期“观察”，例如动脉血氧饱和度、呼吸频率和水合水平。

对非侵入性和/或可穿戴设备的需求正在上升，而要收集的数据的复杂性也在增加，在数据采集、信号调理和处理方面增加了重大的技术挑战。特别是对于医疗应用，测量必须可靠、准确和安全。

测量心率有两种主要方法。第一种利用光学技术检测血液通过靠近皮肤的血管时光吸收或反射的变化。光学技术也可用于估计血液中的氧饱和度（脉搏血氧饱和度）。主要的技术挑战是低功耗、环境光抑制和环境噪声消除。

第二种方法是生物电势测量，它使用电压感应电极来检测心肌组织产生的电活动，该电活动会传输到皮肤。这些数据用于生成心电图 （ECG），医学专家广泛用于确定心脏健康状况。生物阻抗测量还可以确定呼吸速率和相对幅度。与这种方法相关的关键技术挑战是低功率运行、运动补偿和对抗其他干扰，例如噪声。

光脉冲血氧计

对开发人员来说幸运的是，有许多用于心率监测器的专用、特定应用的光学数据采集系统可供使用。例如，Maxim Integrated的MAX86140优化用于检测与手腕、手指、耳朵和其他位置接触的监视器中的光学心率、氧饱和度和肌肉氧饱和度。

虽然光学心率监测通常需要一个光源，但脉搏血氧仪需要两个。为了获得惊人的准确性并增加可能的测量范围，通常使用多个光源。MAX86140 和 MAX86141 分别提供单光通道和双光通道。

在发射器端，三个可编程大电流 LED 驱动器可配置为驱动多达 6 个 LED。两个器件在主从模式下工作，LED 驱动器可以驱动多达 12 个 LED。这些设备的一个关键特性是其强大的专有环境光消除 （ALC） 电路，对于确保在明亮条件下的准确性特别有用。此外，该系统可以应对光照水平的快速变化。

其他主要特性包括具有 19 位 sigma-delta ADC、电压基准和温度传感器的低噪声信号调理模拟前端 （AFE）。ADC 输出数据速率可设置为 8 至 8192 个样本。这些设备需要最少的外部硬件。一个 128 字 FIFO 为数字输出数据提供片上存储，并可连接到微控制器。

这两款器件均采用 1.8V 主电源电压和独立的 3.1V 至 5V LED 驱动器电源，提供许多节能设施。它们具有灵活的定时和关闭配置以及对各个块的控制。这可以在最小功率水平下进行优化测量。动态断电模式可用于低于 128 sps 的较低采样率。当传感器不与皮肤接触时，接近模式功能可以降低能量消耗。

光学控制器可以配置用于各种测量。一个、两个或三个 LED 驱动器可以按顺序发出脉冲，根据脉搏血氧饱和度的要求在多个波长下进行测量。当 LED 驱动器同时发出脉冲时，可以在腕戴式装置上进行心率测量。可以调整 LED 驱动电平以补偿增加的噪声电平，例如当存在高干扰环境信号时。

生物电位心电图测量

心电图可测量心率并提供有关单个信号的详细信息，为专业人员提供心脏检查的更多详细信息。它还允许在健身应用中进行更可靠的心率监测，尤其是在使用胸带时。与具有相同精度水平的光学传感器相比，生物电势测量通常需要更少的功率。然而，心电图信号的处理会迅速消耗电池电量。此外，心电图读数对运动和其他干扰源高度敏感。因此，在健身应用中，运动补偿尤为重要，而运动也可能是重要的噪声源。

再一次，专用的应用特定设备可用于此类应用。考虑一下 Maxim Integrated 的MAX30003，它被描述为适用于可穿戴应用的完整生物电势模拟前端 （AFE） 解决方案。请参见图 2。这款单通道设备具有临床级 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、直流引线断开检测和软上电排序。高输入阻抗确保干启动期间输入端的信号衰减最小。

运动补偿和消除运动伪影的干扰是通过确保 AFE 的共模抑制比 （CMRR） 尽可能高来实现的。MAX30003 的 CMRR 特性通常高达 115dB。可选的引线偏置电阻有助于提高 CMRR 并有助于提高输入阻抗。各种低通和高通滤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很重要。对于健身应用，单功率高通拐角频率应设置为 5Hz，而对于临床应用，通常可以低至 0.5Hz 或 0.05Hz。对于运动用途，可将共模低通角设置为 34Hz，这是在干启动期间限制衣物噪音的最佳水平。

1.1V 电源电压下 85 µW 的超低功耗可延长电池寿命。导联检测功能在待机/深度睡眠模式 （70nA） 期间工作。一个 32 字的 FIFO 可以包含多达 32 个 ECG 数据转换结果，从而节省主机微控制器的活动，因为它保持休眠的时间更长，从而降低了功耗。同样，可以对 MCU 进行编程，使其不处理潜在的无效数据。用于 RR 峰值间隔的内置算法可进一步节省功耗，因此 MCU 仅消耗约 1µA 的电流，而托管在 MCU 上时则多 50 到 100 倍。

Maxim 提供了一个设计平台，用于开发基于该器件的可穿戴健康或健身产品。MAXREFDES100健康传感器平台包括单个 PCB上的硬件构建模块和作为硬件开发套件 （HDK） 的基于 ARM mbed 的编程板。除了 MAX30003 之外，MAX30101 还通过包括 LED 和光电探测器在内的光学元件以及具有环境光抑制功能的低噪声电子器件增加了脉搏血氧饱和度功能。另外还有 MAX30205 临床级温度传感器，推荐的电源模块是 MAX14750，为 MCU、AFE 和数字接口提供多个输出。

审核编辑：郭婷