如何采用健康监测设备对身体监测与测量

对能够从个人健康监测设备提供更全面的临床级数据的产品的需求在传感器数据采集，信号调节和处理方面提出了重大挑战。然而，开发人员现在可以使用附近的硬件和软件解决方案，为快速实施能够进行各种高级生理测量的临床级产品提供灵活的基础。

本文将介绍Maxim Integrated的一个此类解决方案，讨论如何使用它来解决先进的健身和健康测量挑战。

健康监测和预测

非侵入性健康和健康监测和预测功能在消费者和医疗领域，越来越多的产品成为关键要求。在创建这些功能时，开发人员依赖于丰富的数据集，这些数据代表通过许多经过验证的方法生成的不同生理过程。心率等基本数据提供了有关个体身体状况，从生理压力中恢复的能力以及其他结果的重要信息。

对动脉血氧饱和度，呼吸率和心脏反应的深入了解不仅至关重要在临床环境中进行诊断，以及在更广泛的健身环境中进行体育锻炼和延长健康。

测量方法

尽管它们在更多主流产品中应用，但用于测量的方法仍然存在。这些特征已在急性观察和长期临床护理中使用了数十年。对于基本心率测量，光学体积描记法利用光吸收或反射的变化，其与每次心跳通过皮肤血管的血液体积的增加或减少相关。脉搏血氧饱和度通过比较对氧合血红蛋白（氧合血红蛋白）和脱氧血红蛋白（脱氧血红蛋白）选择性的两种不同波长的光吸收或反射来估计外周氧饱和度（SpO2）。氧合血红蛋白在940纳米（nm）的红外（IR）波长下吸收比脱氧血红蛋白更多的光，并且脱氧血红蛋白在660nm附近的可见波长吸收比氧合血红蛋白更多的光。因此，比较每个波长的接收光可以提供外周血管中的SpO2。

对更详细和全面的健康数据的兴趣持续增加，需要更复杂的测量。其中，生物电位测量使用电压感测电极来跟踪与心脏动作相关的电压变化，以产生心电图（ECG）或与其他肌肉纤维相关联以产生肌电图（EMG）。为了测量心脏健康状况，心电图（ECG）中P，QRS和T复合波的性质可以提供广泛的信息（图1）。

图1：ECG根据振幅，形状和波形时间提供有关心脏健康的广泛信息。 （图像来源：FirstAidForFee.com）

至少，一个R波到下一个R波之间的时间（称为R-to-R测量）提供了心率的瞬时测量。经验丰富的临床医生可以通过检查每个波形的形状和幅度以及波形之间的时间变化来辨别有关心脏健康和病理的详细信息。

也许不太熟悉，生物阻抗测量利用相关阻抗的变化随着下层组织和器官的变化。例如，在呼吸期间，肺中空气量的变化转化为生物阻抗的变化，提供了用于测量呼吸速率和相对振幅的简单但可靠的方法。健康专家正在应用生物阻抗测量，如血糖检测，肺炎检测，关节健康评估，甚至心力衰竭预测等。

开发人员如何构建能够进行这些测量的系统仍然是一项重大挑战。很少有开发团队拥有技术专长，可以创建可靠，安全地提取数据所需的专用匹配信号链。即使对于经验更丰富的生物工程师，创建自定义数据采集系统所需的时间最多也会延迟实施提供更复杂的健康和健身监测产品所需的应用程序。

开发人员可以发现即使是看似简单的技术，例如光学体积描记法和脉搏血氧测定法提出了意想不到的挑战。理论上，简单的心率监测器应该只需要一个光源来执行基本的光学体积描记术，而脉搏血氧仪应该只需要两个适合于氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的波长的光源。然而，在实践中，不同波长的光在表皮层和真皮层中达到不同的深度，并且对血液和间质液中的其他分子显示出不同的吸收或反射特性。因此，两个波长返回的光可能受到每个波长穿透的影响，就像每个波长所要测量的生理现象一样。

开发人员经常发现需要使用多个光源而不仅仅是减轻这些影响，但也提供更复杂的生命统计测量，如血压。结合这些特定问题，对低功耗和易用性的更一般要求给设计人员带来了一系列复杂的挑战。 Maxim Integrated MAX86140专为提供能够满足光学体积描记法和脉搏血氧仪应用要求的插入式解决方案而设计。

光学传感解决方案

专为健身和健康应用而设计， MAX86140特别适用于可穿戴设备等小型便携式应用。这款20引脚晶圆级封装尺寸仅为2.0 x 1.8毫米（mm），采用1.8伏主电源电压和3.1至5.5伏LED驱动器电源供电。该器件的最大采样速率为每秒4,096个样本（sps），耗电量约为660微安（μA），但开发人员可以降低采样率以降低功耗。例如，在25 sps时，器件仅消耗约8.5μA。

该设备提供多种旨在降低功耗的功能。对于要求采样率为256 sps及以下的应用，开发人员可以将器件置于动态掉电模式。在此模式下，器件会自动进入采样之间的低功耗模式。无论采样率如何，开发人员还可以利用设备的光学接近功能，在设备从用户移除时节省电量。在这里，器件通过将采样率降至8 sps并进入动态功耗模式来响应降低的光输入电平。当光学输入超过设定的阈值，表明用户的皮肤非常接近时，设备将以所需的采样率恢复正常操作。

除了省电功能外，该设备还提供完整的光学传感系统，结合先进的光学接收器和LED驱动控制子系统，提供光学测量。在接收器端，MAX86140光学子系统包括光学测量所需的全部功能模块（图2）。这些模块包括环境光消除（ALC），sigma-delta模数转换器（ADC），电压基准，带专用ADC的温度传感器以及专用的离散时间滤波器，可抑制50 Hz/60 Hz干扰。

图2：Maxim Integrated MAX86140接收器集成了完整的信号链和专用模块，专门用于在存在环境光和噪声源的情况下优化光学传感。 （图像来源：Maxim Integrated）

在其功能中，ALC采用了专有的机制来消除环境光，即使在明亮的环境中也能提供准确的结果。该设备甚至可以适应当用户从黑暗房间进入阳光和返回时可能发生的陡峭瞬态偏移。该设备的“栅栏”功能允许它替换与标准有很大偏差的单个样品，并通过外推样品历史记录创建一个值。

在发送器端，MAX86140集成了三个可编程LED可以配置为驱动总共六个LED的驱动器。由独立的LED驱动器电源供电，每个LED驱动器通道包括一个数模转换器（DAC）和一个能够直接从MAX86140的LEDx_DRV输出引脚驱动LED的电流源。为了平衡所需的精度和功耗，开发人员可以将每个LED通道的脉冲宽度从14.8微秒（μs）编程为117.3μs，并将特定电流输出电平设置为31 mA至124 mA的四个不同范围（图3）。

图3：开发人员可以通过将LEDx_RGE [1：0]设置为所需的满量程范围并将LEDx_PA [7：0]设置为特定电流输出来精细调整每个MAX86140 LED电流输出电平。 （图像源：Maxim Integrated）

为了执行采样序列，开发人员可以对MAX86140的集成光学控制器进行编程，以同时或顺序驱动其三个LED驱动器通道中的一个或多个（图4）。对于心率监测中的光学体积描记术测量，开发人员通常会同时驱动LED以最大化光学返回。对于脉搏血氧仪，它们将依次驱动单独的IR和红色LED，以测量确定SpO2所需的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的比例。开发人员还可以将控制器配置为在每个LED驱动序列之后测量环境光，以补偿干扰环境光源。

图4：开发人员可以对Maxim Integrated MAX86140进行编程，同时驱动单独的LED（A）进行心率测量，或依次驱动（B）进行脉搏血氧饱和度测定，使用单独的环境测量来补偿干扰光源。 （图像源：Maxim Integrated）

除了多个配置和控制寄存器外，器件还提供128字FIFO和指向要读取或写入的下一个字的指针。在采样时，FIFO使用包含19位数据的字和识别数据性质的5位标记顺序存储每个样本。如果使用多个LED，则FIFO数据将每个LED样本（和识别标签）存储在顺序FIFO位置以用于单个采样事件。要读取样本，开发人员只需访问地址0x07处的FIFO数据计数器，以查找FIFO中可用的样本数，然后访问0x05处的FIFO读指针以读取该样本数。这种简单的方法允许开发人员使用相应简单的软件例程快速有效地提取数据（清单1）。

void device_data_read（void）{

< code> uint8_t sampleCnt;

uint8_t regVal;

uint8_t dataBuf [128 * 2 * 3];

int led1 [32];

int led2 [32];

ReadReg（0x07，＆amp; sampleCnt）;//128个FIFO样本，2个通道，3个字节/通道

//读取FIFO

ReadFifo（dataBuf，sampleCnt * 3）;

int i = 0;

for（i = 0; i

led1 [i] =（（dataBuf [i * 6 + 0] << 16）|（dataBuf [i * 6 + 1] << 8）|（dataBuf [i * 6 + 2] ））＆amp; 0x7ffff;

led2 [i] =（（dataBuf [i * 6 + 3] << 16）|（dataBuf [i * 6 + 4] << 8）| （dataBuf [i * 6 + 5]））＆amp; 0x7ffff;

}}

清单1：如此伪代码所示，开发人员只需几个操作即可从Maxim Integrated MAX86140的片内FIFO中读取可用样本。 （列表来源：Maxim Integrated）

与典型的事件驱动系统不同，MAX86140 FIFO数据不包含显式时间戳。相反，FIFO以指定的采样率填充，允许开发人员轻松地重新创建与样本关联的事件时间戳。然而，需要将设备测量与其他测量同步的开发人员可以对设备进行编程，以定期在FIFO中包括时间戳。设备本身包括可用于控制其他设备的专用端口（GPIO1和GPIO2）。然而，在典型的基于MCU的应用中，该器件需要很少的连接或额外的组件来实现光学传感（图5）。除了与主处理器的串行连接外，开发人员还添加了一个光电二极管，如Vishay Semiconductor VEMD5010X01和一个或多个具有适合特定应用的波长的LED。

图5：由于Maxim Integrated MAX86140集成了完整的光学传感解决方案，开发人员只需要一些额外的组件来实现心率和脉搏血氧饱和度设计。 （图像源：Maxim Integrated）

为了帮助开发人员构建自己的基于MAX86140的设计，Maxim Integrated提供MAX86140EVSYS评估套件和相关的Windows®程序。 MAX86140EVSYS提供全面的开发平台，用于快速开发和评估，提供图5所示设计的原理图和硬件实现。除了完全实现的基于MAX86140的光学传感系统外，评估套件还包括一个围绕Maxim Integrated MAX32620基于32位Arm®Cortex®-M4F的MCU。

为了帮助开发人员评估设备的大量配置和操作选项的操作，Windows程序为开发人员提供了一个简单的工具。改变选择并观察结果（图6）。确认最佳操作配置后，开发人员只需将相同的值应用于自己的代码，即可在自己的设计中使用MAX86140。

图6：开发人员可以使用Maxim Integrated Windows软件程序测试特定的设备设置，并评估这些设置对设备性能和光学测量结果的影响。 （图像来源：Maxim Integrated）

详细的健康数据

虽然MAX86140可以提供丰富的数据及其光学传感功能，但开发人员需要转向生物电位和生物阻抗方法来提供心电图，呼吸数据和前面提到的其他参数。过去，开发人员面临着与健康和健身应用中的电信号采集相关的广泛挑战。低压生物信号的组合和与生理过程相关的阻抗的细微变化需要高度专业知识来构建能够提取有用数据的信号链。 Maxim Integrated MAX30001提供大量插入式解决方案，可满足与这些测量方法相关的各种要求。

对于ECG等生物电位测量，MAX30001提供专用通道，可提供优化的信号链，确保可靠信号采集，调节和转换（图7）。 ECG通道与单独的PACE通道结合使用，可检测心脏起搏器活动，可提供完整的ECG波形，R-to-R心率数据和起搏器事件检测。

图7：Maxim Integrated MAX30001集成了一个专用通道，用于测量生物电位信号，用于生成典型ECG中显示的波形。 （图像来源：Maxim Integrated）

尽管ECG信号链本身很复杂，但开发人员面临着确保与人类用户安全可靠连接的许多要求。 MAX30001通过多级输入子系统专门解决关键操作问题，该子系统实现了诸如引线和引线检查，极性设置，偏置和ESD保护等重要功能（图8）。

图8：在生物电位通道的输入端，一组专用电路提供关键的保护，检测和校准功能，这些功能对于安全可靠的操作至关重要。 （图像来源：Maxim Integrated）

此处，输入开关等集成功能可将用户与内部信号路径隔离开来，保护用户和敏感内部电路免受放置胸带时可能发生的瞬变的影响，例如，其包含用于生物电势信号采集的外部电极。此外，输入系统提供校准电压，作为器件广泛的自测功能的一部分。

除了对信号采集，调节和转换的类似要求外，生物阻抗测量还需要能够产生小电流需要检测生物阻抗的变化。 MAX30001通过独立的专用生物阻抗通道满足这些要求，该通道将输入信号链与电流发生器相结合（图9）。内置可编程电流发生器产生方波电流，通过引脚DRVP和DRVN施加到用户身体，用于通过引脚BIP和BIN检测生物阻抗。

图9：Maxim Integrated MAX30001生物阻抗通道及其专用输入级和信号链，包含一个可编程电流发生器，用于测量生物阻抗的变化。 （图像来源：Maxim Integrated）

在输入端，开发人员只需添加一些无源元件即可将器件连接到两个或四个物理电极，以进行生物电位和生物阻抗测量（图10）。开发人员可以使用Maxim Integrated MAX30034等器件进行可选（但推荐）的除颤保护，从而进一步减少器件数量。

图10：使用Maxim Integrated MAX30001，开发人员可以轻松实现四种电极输入配置，支持同时进行生物电位和生物阻抗测量。 （图像来源：Maxim Integrated）

MAX30034专门设计用于吸收除颤过程中产生的重复高能脉冲，快速钳位其端子间的电压，从超过10 10 Ω的电流迅速下降当正或负电压电平超过其触发电压时，小于1Ω。

MAX30001将采样存储在循环FIFO缓冲器中，其方式与MAX86140大致相同。顺序样本放置在连续的FIFO位置，无需单独的时间戳数据，同时允许开发人员重建时基。 MAX30001为生物电位和生物阻抗样本提供单独的FIFO，并为R-to-R心率数据提供单个输出寄存器。与MAX86140一样，MAX30001为每个FIFO位置填充数据值和相关标签，提供有关每个采样的状态信息。

基于MAX30001的监控系统的实现除输入外几乎不需要额外的组件保护网络如图10所示.Maxim Integrated通过其MAX30001EVSYS评估系统演示了该器件的基本配置，该评估系统包括MAX30001评估板和基于Maxim IntegratedMAX32630Arm®Cortex®-M4F的MCU构建的MAX32630FTHR板。 p>

通过提供生物电势，生物阻抗和起搏检测所需的所有电路，MAX30001在很大程度上消除了与详细硬件设计相关的挑战。另一方面，开发人员可能会花时间尝试为设备的大量配置和操作选项找到最佳设置组合。

与MAX86140一样，Maxim Integrated为开发人员提供了Windows程序，提供直观的基于图形的配置方法。使用单独的选项卡，开发人员可以检查每个通道的各个组件的各个设置的有效选项，应用所需的一组值，并立即查看显示使用这些设置生成的结果的图（图11）。在确定其应用的最佳设置后，开发人员可以简单地将这些设置值应用于MAX30001在其自己的应用中的初始化和操作。

图11：Maxim Integrated MAX30001评估软件允许开发人员选择与特定器件通道相对应的选项卡，为该通道中的不同阶段设置操作参数，并查看结果在单独的选项卡中。 （图片来源：Maxim Integrated）

结论

在开发下一代健康产品时，开发人员在执行一系列测量所面临的各种挑战方面面临各种挑战，以满足新出现的详细临床需求等级生理数据。如图所示，Maxim Integrated的MAX86140和MAX30001提供近乎可靠的插入式解决方案，能够使用广为接受的光学传感，生物电位和生物阻抗技术进行这些测量。

使用这些器件及其相关评估开发人员可以快速设计和实施能够提供临床级健康信息的复杂产品。