工程师指南：选择不同的心率检测技术

心率数据可以提供有关个人身体状况的宝贵信息。其用途范围从个人健康监测到检测心律失常等异常情况，再到医院级患者的生命体征监测。今天的无线和可穿戴技术不仅可以非侵入性地收集复杂数据，还可以即时分析和显示这些数据，并存储以供以后分析。

这种技术为可穿戴设备开辟了新的健身和健康消费市场，如健身手环和胸带运动监视器。在医疗领域，非侵入性心率监测用于识别诸如心脏血流量减少之类的问题，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手指握住心率监测仪和便携式分析仪进行定期“观察”，例如动脉血氧饱和度，呼吸速率和水合水平。

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，这在数据采集、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来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，生物电势测量，使用电压传感电极来检测心肌组织产生的电活动，其传递到皮肤。这些数据用于生成心电图（ECG），被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振幅。与这种方法相关的关键技术挑战是低功耗操作，运动补偿和对抗其他干扰，如噪声。

光学脉搏血氧仪

幸运的是，对于开发人员来说，有许多专用的、特定于应用的用于心率监测器的光学数据采集系统。例如，Maxim Integrated的MAX86140经过优化，可检测与手腕、手指、耳朵和其他位置接触的监视器中的光学心率、血氧饱和度和肌肉血氧饱和度。

光学心率监测通常需要一个光源，而脉搏血氧仪需要两个。为了获得极高的精度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。

在发射器侧，可配置三个可编程高电流 LED 驱动器，以驱动多达 6 个 LED。当两个器件在主从模式下工作时，LED 驱动器可驱动多达 12 个 LED。这些器件的一个关键特性是其坚固耐用的专有环境光消除（ALC）电路，对于确保明亮条件下的精度特别有用。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 Σ-Δ 型 ADC 的低噪声信号调理模拟前端 （AFE）、基准电压源和温度传感器。ADC输出数据速率可在8至8192个样本范围内进行编程。这些设备需要最少的外部硬件。128字FIFO为数字输出数据提供片上存储，并能够连接到微控制器。

两款器件均采用 1.8V 主电源电压工作，具有独立的 3.1V 至 5V LED 驱动器电源，可提供许多节能功能。它们具有灵活的定时和关断配置，以及单个块的控制。这样就可以在最低功率水平下优化测量。动态关断模式可用于低于128 sps的较低采样速率。接近模式功能可以在传感器不与皮肤接触时降低能耗。

光学控制器可以配置为各种测量。一个、两个或三个 LED 驱动器可以按顺序脉冲，根据脉搏血氧仪的要求，在多个波长下进行测量。当 LED 驱动器同时脉冲时，可以在腕式设备上进行心率测量。可以调节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。

生物电势心电图测量

心电图测量心率，并可以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，特别是在使用胸带时。与光学传感器相比，生物电势测量通常需要的功率要少得多，精度水平相同。但是，ECG信号的处理会迅速消耗电池电量。此外，ECG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，运动也可能是噪声的重要来源。

同样，专用于特定应用的设备可用于此类应用。以Maxim集成版的MAX30003为例，它被描述为可穿戴应用的完整生物电势模拟前端（AFE）解决方案。参见图2。这款单通道器件具有临床级ECG AFE，具有高分辨率ADC，可提供15.5位有效分辨率和5μV峰峰值噪声。此外，它还具有 ESD 保护、EMI 滤波、内部引线偏置、DC 导联脱落检测和软上电排序功能。高输入阻抗确保在干启动期间输入端的信号衰减最小。

通过确保AFE的共模抑制比（CMRR）尽可能高来实现运动补偿和消除运动伪像中的干扰。MAX30003具有CMRR特性，典型值为115dB。可选的引线偏置电阻器有助于改善 CMRR，并有助于实现高输入阻抗。各种低通和高通滤波器选项可用于限制带宽，这对于衰减静电和高频信号的噪声非常重要。对于健身应用，单功率高通转折频率应设置为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，共模低通角可以设置为34Hz，这是在干启动期间限制衣服噪音的最佳水平。

1.1V电源电压下85 μW的超低功耗可延长电池寿命。引出引出检测功能在待机/深度睡眠模式 （70nA） 期间工作。32字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，因为它保持睡眠时间更长，从而降低功耗。同样，MCU也可以编程为不处理潜在的无效数据。用于R-R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，而MCU的功耗是MCU的50至100倍。

审核编辑：郭婷