對能夠從個(gè)人健康監(jiān)測設(shè)備提供更全面的臨床級數(shù)據(jù)的產(chǎn)品的需求在傳感器數(shù)據(jù)采集，信號調(diào)節(jié)和處理方面提出了重大挑戰(zhàn)。然而，開發(fā)人員現(xiàn)在可以使用附近的硬件和軟件解決方案，為快速實(shí)施能夠進(jìn)行各種高級生理測量的臨床級產(chǎn)品提供靈活的基礎(chǔ)。

本文將介紹Maxim Integrated的一個(gè)此類解決方案，討論如何使用它來解決先進(jìn)的健身和健康測量挑戰(zhàn)。

健康監(jiān)測和預(yù)測

非侵入性健康和健康監(jiān)測和預(yù)測功能在消費(fèi)者和醫(yī)療領(lǐng)域，越來越多的產(chǎn)品成為關(guān)鍵要求。在創(chuàng)建這些功能時(shí)，開發(fā)人員依賴于豐富的數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)代表通過許多經(jīng)過驗(yàn)證的方法生成的不同生理過程。心率等基本數(shù)據(jù)提供了有關(guān)個(gè)體身體狀況，從生理壓力中恢復(fù)的能力以及其他結(jié)果的重要信息。

對動脈血氧飽和度，呼吸率和心臟反應(yīng)的深入了解不僅至關(guān)重要在臨床環(huán)境中進(jìn)行診斷，以及在更廣泛的健身環(huán)境中進(jìn)行體育鍛煉和延長健康。

測量方法

盡管它們在更多主流產(chǎn)品中應(yīng)用，但用于測量的方法仍然存在。這些特征已在急性觀察和長期臨床護(hù)理中使用了數(shù)十年。對于基本心率測量，光學(xué)體積描記法利用光吸收或反射的變化，其與每次心跳通過皮膚血管的血液體積的增加或減少相關(guān)。脈搏血氧飽和度通過比較對氧合血紅蛋白（氧合血紅蛋白）和脫氧血紅蛋白（脫氧血紅蛋白）選擇性的兩種不同波長的光吸收或反射來估計(jì)外周氧飽和度（SpO2）。氧合血紅蛋白在940納米（nm）的紅外（IR）波長下吸收比脫氧血紅蛋白更多的光，并且脫氧血紅蛋白在660nm附近的可見波長吸收比氧合血紅蛋白更多的光。因此，比較每個(gè)波長的接收光可以提供外周血管中的SpO2。

對更詳細(xì)和全面的健康數(shù)據(jù)的興趣持續(xù)增加，需要更復(fù)雜的測量。其中，生物電位測量使用電壓感測電極來跟蹤與心臟動作相關(guān)的電壓變化，以產(chǎn)生心電圖（ECG）或與其他肌肉纖維相關(guān)聯(lián)以產(chǎn)生肌電圖（EMG）。為了測量心臟健康狀況，心電圖（ECG）中P，QRS和T復(fù)合波的性質(zhì)可以提供廣泛的信息（圖1）。

圖1：ECG根據(jù)振幅，形狀和波形時(shí)間提供有關(guān)心臟健康的廣泛信息。 （圖像來源：FirstAidForFee.com）

至少，一個(gè)R波到下一個(gè)R波之間的時(shí)間（稱為R-to-R測量）提供了心率的瞬時(shí)測量。經(jīng)驗(yàn)豐富的臨床醫(yī)生可以通過檢查每個(gè)波形的形狀和幅度以及波形之間的時(shí)間變化來辨別有關(guān)心臟健康和病理的詳細(xì)信息。

也許不太熟悉，生物阻抗測量利用相關(guān)阻抗的變化隨著下層組織和器官的變化。例如，在呼吸期間，肺中空氣量的變化轉(zhuǎn)化為生物阻抗的變化，提供了用于測量呼吸速率和相對振幅的簡單但可靠的方法。健康專家正在應(yīng)用生物阻抗測量，如血糖檢測，肺炎檢測，關(guān)節(jié)健康評估，甚至心力衰竭預(yù)測等。

開發(fā)人員如何構(gòu)建能夠進(jìn)行這些測量的系統(tǒng)仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。很少有開發(fā)團(tuán)隊(duì)擁有技術(shù)專長，可以創(chuàng)建可靠，安全地提取數(shù)據(jù)所需的專用匹配信號鏈。即使對于經(jīng)驗(yàn)更豐富的生物工程師，創(chuàng)建自定義數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的時(shí)間最多也會延遲實(shí)施提供更復(fù)雜的健康和健身監(jiān)測產(chǎn)品所需的應(yīng)用程序。

開發(fā)人員可以發(fā)現(xiàn)即使是看似簡單的技術(shù)，例如光學(xué)體積描記法和脈搏血氧測定法提出了意想不到的挑戰(zhàn)。理論上，簡單的心率監(jiān)測器應(yīng)該只需要一個(gè)光源來執(zhí)行基本的光學(xué)體積描記術(shù)，而脈搏血氧儀應(yīng)該只需要兩個(gè)適合于氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的波長的光源。然而，在實(shí)踐中，不同波長的光在表皮層和真皮層中達(dá)到不同的深度，并且對血液和間質(zhì)液中的其他分子顯示出不同的吸收或反射特性。因此，兩個(gè)波長返回的光可能受到每個(gè)波長穿透的影響，就像每個(gè)波長所要測量的生理現(xiàn)象一樣。

開發(fā)人員經(jīng)常發(fā)現(xiàn)需要使用多個(gè)光源而不僅僅是減輕這些影響，但也提供更復(fù)雜的生命統(tǒng)計(jì)測量，如血壓。結(jié)合這些特定問題，對低功耗和易用性的更一般要求給設(shè)計(jì)人員帶來了一系列復(fù)雜的挑戰(zhàn)。 Maxim Integrated MAX86140專為提供能夠滿足光學(xué)體積描記法和脈搏血氧儀應(yīng)用要求的插入式解決方案而設(shè)計(jì)。

光學(xué)傳感解決方案

專為健身和健康應(yīng)用而設(shè)計(jì)， MAX86140特別適用于可穿戴設(shè)備等小型便攜式應(yīng)用。這款20引腳晶圓級封裝尺寸僅為2.0 x 1.8毫米（mm），采用1.8伏主電源電壓和3.1至5.5伏LED驅(qū)動器電源供電。該器件的最大采樣速率為每秒4,096個(gè)樣本（sps），耗電量約為660微安（μA），但開發(fā)人員可以降低采樣率以降低功耗。例如，在25 sps時(shí)，器件僅消耗約8.5μA。

該設(shè)備提供多種旨在降低功耗的功能。對于要求采樣率為256 sps及以下的應(yīng)用，開發(fā)人員可以將器件置于動態(tài)掉電模式。在此模式下，器件會自動進(jìn)入采樣之間的低功耗模式。無論采樣率如何，開發(fā)人員還可以利用設(shè)備的光學(xué)接近功能，在設(shè)備從用戶移除時(shí)節(jié)省電量。在這里，器件通過將采樣率降至8 sps并進(jìn)入動態(tài)功耗模式來響應(yīng)降低的光輸入電平。當(dāng)光學(xué)輸入超過設(shè)定的閾值，表明用戶的皮膚非常接近時(shí)，設(shè)備將以所需的采樣率恢復(fù)正常操作。

除了省電功能外，該設(shè)備還提供完整的光學(xué)傳感系統(tǒng)，結(jié)合先進(jìn)的光學(xué)接收器和LED驅(qū)動控制子系統(tǒng)，提供光學(xué)測量。在接收器端，MAX86140光學(xué)子系統(tǒng)包括光學(xué)測量所需的全部功能模塊（圖2）。這些模塊包括環(huán)境光消除（ALC），sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），電壓基準(zhǔn)，帶專用ADC的溫度傳感器以及專用的離散時(shí)間濾波器，可抑制50 Hz/60 Hz干擾。

圖2：Maxim Integrated MAX86140接收器集成了完整的信號鏈和專用模塊，專門用于在存在環(huán)境光和噪聲源的情況下優(yōu)化光學(xué)傳感。 （圖像來源：Maxim Integrated）

在其功能中，ALC采用了專有的機(jī)制來消除環(huán)境光，即使在明亮的環(huán)境中也能提供準(zhǔn)確的結(jié)果。該設(shè)備甚至可以適應(yīng)當(dāng)用戶從黑暗房間進(jìn)入陽光和返回時(shí)可能發(fā)生的陡峭瞬態(tài)偏移。該設(shè)備的“柵欄”功能允許它替換與標(biāo)準(zhǔn)有很大偏差的單個(gè)樣品，并通過外推樣品歷史記錄創(chuàng)建一個(gè)值。

在發(fā)送器端，MAX86140集成了三個(gè)可編程LED可以配置為驅(qū)動總共六個(gè)LED的驅(qū)動器。由獨(dú)立的LED驅(qū)動器電源供電，每個(gè)LED驅(qū)動器通道包括一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和一個(gè)能夠直接從MAX86140的LEDx_DRV輸出引腳驅(qū)動LED的電流源。為了平衡所需的精度和功耗，開發(fā)人員可以將每個(gè)LED通道的脈沖寬度從14.8微秒（μs）編程為117.3μs，并將特定電流輸出電平設(shè)置為31 mA至124 mA的四個(gè)不同范圍（圖3）。

圖3：開發(fā)人員可以通過將LEDx_RGE [1：0]設(shè)置為所需的滿量程范圍并將LEDx_PA [7：0]設(shè)置為特定電流輸出來精細(xì)調(diào)整每個(gè)MAX86140 LED電流輸出電平。 （圖像源：Maxim Integrated）

為了執(zhí)行采樣序列，開發(fā)人員可以對MAX86140的集成光學(xué)控制器進(jìn)行編程，以同時(shí)或順序驅(qū)動其三個(gè)LED驅(qū)動器通道中的一個(gè)或多個(gè)（圖4）。對于心率監(jiān)測中的光學(xué)體積描記術(shù)測量，開發(fā)人員通常會同時(shí)驅(qū)動LED以最大化光學(xué)返回。對于脈搏血氧儀，它們將依次驅(qū)動單獨(dú)的IR和紅色LED，以測量確定SpO2所需的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的比例。開發(fā)人員還可以將控制器配置為在每個(gè)LED驅(qū)動序列之后測量環(huán)境光，以補(bǔ)償干擾環(huán)境光源。

圖4：開發(fā)人員可以對Maxim Integrated MAX86140進(jìn)行編程，同時(shí)驅(qū)動單獨(dú)的LED（A）進(jìn)行心率測量，或依次驅(qū)動（B）進(jìn)行脈搏血氧飽和度測定，使用單獨(dú)的環(huán)境測量來補(bǔ)償干擾光源。 （圖像源：Maxim Integrated）

除了多個(gè)配置和控制寄存器外，器件還提供128字FIFO和指向要讀取或?qū)懭氲南乱粋€(gè)字的指針。在采樣時(shí)，F(xiàn)IFO使用包含19位數(shù)據(jù)的字和識別數(shù)據(jù)性質(zhì)的5位標(biāo)記順序存儲每個(gè)樣本。如果使用多個(gè)LED，則FIFO數(shù)據(jù)將每個(gè)LED樣本（和識別標(biāo)簽）存儲在順序FIFO位置以用于單個(gè)采樣事件。要讀取樣本，開發(fā)人員只需訪問地址0x07處的FIFO數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器，以查找FIFO中可用的樣本數(shù)，然后訪問0x05處的FIFO讀指針以讀取該樣本數(shù)。這種簡單的方法允許開發(fā)人員使用相應(yīng)簡單的軟件例程快速有效地提取數(shù)據(jù)（清單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個(gè)FIFO樣本，2個(gè)通道，3個(gè)字節(jié)/通道

//讀取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;

}}

清單1：如此偽代碼所示，開發(fā)人員只需幾個(gè)操作即可從Maxim Integrated MAX86140的片內(nèi)FIFO中讀取可用樣本。 （列表來源：Maxim Integrated）

與典型的事件驅(qū)動系統(tǒng)不同，MAX86140 FIFO數(shù)據(jù)不包含顯式時(shí)間戳。相反，F(xiàn)IFO以指定的采樣率填充，允許開發(fā)人員輕松地重新創(chuàng)建與樣本關(guān)聯(lián)的事件時(shí)間戳。然而，需要將設(shè)備測量與其他測量同步的開發(fā)人員可以對設(shè)備進(jìn)行編程，以定期在FIFO中包括時(shí)間戳。設(shè)備本身包括可用于控制其他設(shè)備的專用端口（GPIO1和GPIO2）。然而，在典型的基于MCU的應(yīng)用中，該器件需要很少的連接或額外的組件來實(shí)現(xiàn)光學(xué)傳感（圖5）。除了與主處理器的串行連接外，開發(fā)人員還添加了一個(gè)光電二極管，如Vishay Semiconductor VEMD5010X01和一個(gè)或多個(gè)具有適合特定應(yīng)用的波長的LED。

圖5：由于Maxim Integrated MAX86140集成了完整的光學(xué)傳感解決方案，開發(fā)人員只需要一些額外的組件來實(shí)現(xiàn)心率和脈搏血氧飽和度設(shè)計(jì)。 （圖像源：Maxim Integrated）

為了幫助開發(fā)人員構(gòu)建自己的基于MAX86140的設(shè)計(jì)，Maxim Integrated提供MAX86140EVSYS評估套件和相關(guān)的Windows?程序。 MAX86140EVSYS提供全面的開發(fā)平臺，用于快速開發(fā)和評估，提供圖5所示設(shè)計(jì)的原理圖和硬件實(shí)現(xiàn)。除了完全實(shí)現(xiàn)的基于MAX86140的光學(xué)傳感系統(tǒng)外，評估套件還包括一個(gè)圍繞Maxim Integrated MAX32620基于32位Arm?Cortex?-M4F的MCU。

為了幫助開發(fā)人員評估設(shè)備的大量配置和操作選項(xiàng)的操作，Windows程序?yàn)殚_發(fā)人員提供了一個(gè)簡單的工具。改變選擇并觀察結(jié)果（圖6）。確認(rèn)最佳操作配置后，開發(fā)人員只需將相同的值應(yīng)用于自己的代碼，即可在自己的設(shè)計(jì)中使用MAX86140。

圖6：開發(fā)人員可以使用Maxim Integrated Windows軟件程序測試特定的設(shè)備設(shè)置，并評估這些設(shè)置對設(shè)備性能和光學(xué)測量結(jié)果的影響。 （圖像來源：Maxim Integrated）

詳細(xì)的健康數(shù)據(jù)

雖然MAX86140可以提供豐富的數(shù)據(jù)及其光學(xué)傳感功能，但開發(fā)人員需要轉(zhuǎn)向生物電位和生物阻抗方法來提供心電圖，呼吸數(shù)據(jù)和前面提到的其他參數(shù)。過去，開發(fā)人員面臨著與健康和健身應(yīng)用中的電信號采集相關(guān)的廣泛挑戰(zhàn)。低壓生物信號的組合和與生理過程相關(guān)的阻抗的細(xì)微變化需要高度專業(yè)知識來構(gòu)建能夠提取有用數(shù)據(jù)的信號鏈。 Maxim Integrated MAX30001提供大量插入式解決方案，可滿足與這些測量方法相關(guān)的各種要求。

對于ECG等生物電位測量，MAX30001提供專用通道，可提供優(yōu)化的信號鏈，確保可靠信號采集，調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換（圖7）。 ECG通道與單獨(dú)的PACE通道結(jié)合使用，可檢測心臟起搏器活動，可提供完整的ECG波形，R-to-R心率數(shù)據(jù)和起搏器事件檢測。

圖7：Maxim Integrated MAX30001集成了一個(gè)專用通道，用于測量生物電位信號，用于生成典型ECG中顯示的波形。 （圖像來源：Maxim Integrated）

盡管ECG信號鏈本身很復(fù)雜，但開發(fā)人員面臨著確保與人類用戶安全可靠連接的許多要求。 MAX30001通過多級輸入子系統(tǒng)專門解決關(guān)鍵操作問題，該子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了諸如引線和引線檢查，極性設(shè)置，偏置和ESD保護(hù)等重要功能（圖8）。

圖8：在生物電位通道的輸入端，一組專用電路提供關(guān)鍵的保護(hù)，檢測和校準(zhǔn)功能，這些功能對于安全可靠的操作至關(guān)重要。 （圖像來源：Maxim Integrated）

此處，輸入開關(guān)等集成功能可將用戶與內(nèi)部信號路徑隔離開來，保護(hù)用戶和敏感內(nèi)部電路免受放置胸帶時(shí)可能發(fā)生的瞬變的影響，例如，其包含用于生物電勢信號采集的外部電極。此外，輸入系統(tǒng)提供校準(zhǔn)電壓，作為器件廣泛的自測功能的一部分。

除了對信號采集，調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換的類似要求外，生物阻抗測量還需要能夠產(chǎn)生小電流需要檢測生物阻抗的變化。 MAX30001通過獨(dú)立的專用生物阻抗通道滿足這些要求，該通道將輸入信號鏈與電流發(fā)生器相結(jié)合（圖9）。內(nèi)置可編程電流發(fā)生器產(chǎn)生方波電流，通過引腳DRVP和DRVN施加到用戶身體，用于通過引腳BIP和BIN檢測生物阻抗。

圖9：Maxim Integrated MAX30001生物阻抗通道及其專用輸入級和信號鏈，包含一個(gè)可編程電流發(fā)生器，用于測量生物阻抗的變化。 （圖像來源：Maxim Integrated）

在輸入端，開發(fā)人員只需添加一些無源元件即可將器件連接到兩個(gè)或四個(gè)物理電極，以進(jìn)行生物電位和生物阻抗測量（圖10）。開發(fā)人員可以使用Maxim Integrated MAX30034等器件進(jìn)行可選（但推薦）的除顫保護(hù)，從而進(jìn)一步減少器件數(shù)量。

圖10：使用Maxim Integrated MAX30001，開發(fā)人員可以輕松實(shí)現(xiàn)四種電極輸入配置，支持同時(shí)進(jìn)行生物電位和生物阻抗測量。 （圖像來源：Maxim Integrated）

MAX30034專門設(shè)計(jì)用于吸收除顫過程中產(chǎn)生的重復(fù)高能脈沖，快速鉗位其端子間的電壓，從超過10 10 Ω的電流迅速下降當(dāng)正或負(fù)電壓電平超過其觸發(fā)電壓時(shí)，小于1Ω。

MAX30001將采樣存儲在循環(huán)FIFO緩沖器中，其方式與MAX86140大致相同。順序樣本放置在連續(xù)的FIFO位置，無需單獨(dú)的時(shí)間戳數(shù)據(jù)，同時(shí)允許開發(fā)人員重建時(shí)基。 MAX30001為生物電位和生物阻抗樣本提供單獨(dú)的FIFO，并為R-to-R心率數(shù)據(jù)提供單個(gè)輸出寄存器。與MAX86140一樣，MAX30001為每個(gè)FIFO位置填充數(shù)據(jù)值和相關(guān)標(biāo)簽，提供有關(guān)每個(gè)采樣的狀態(tài)信息。

基于MAX30001的監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)除輸入外幾乎不需要額外的組件保護(hù)網(wǎng)絡(luò)如圖10所示.Maxim Integrated通過其MAX30001EVSYS評估系統(tǒng)演示了該器件的基本配置，該評估系統(tǒng)包括MAX30001評估板和基于Maxim IntegratedMAX32630Arm?Cortex?-M4F的MCU構(gòu)建的MAX32630FTHR板。 p>

通過提供生物電勢，生物阻抗和起搏檢測所需的所有電路，MAX30001在很大程度上消除了與詳細(xì)硬件設(shè)計(jì)相關(guān)的挑戰(zhàn)。另一方面，開發(fā)人員可能會花時(shí)間嘗試為設(shè)備的大量配置和操作選項(xiàng)找到最佳設(shè)置組合。

與MAX86140一樣，Maxim Integrated為開發(fā)人員提供了Windows程序，提供直觀的基于圖形的配置方法。使用單獨(dú)的選項(xiàng)卡，開發(fā)人員可以檢查每個(gè)通道的各個(gè)組件的各個(gè)設(shè)置的有效選項(xiàng)，應(yīng)用所需的一組值，并立即查看顯示使用這些設(shè)置生成的結(jié)果的圖（圖11）。在確定其應(yīng)用的最佳設(shè)置后，開發(fā)人員可以簡單地將這些設(shè)置值應(yīng)用于MAX30001在其自己的應(yīng)用中的初始化和操作。

圖11：Maxim Integrated MAX30001評估軟件允許開發(fā)人員選擇與特定器件通道相對應(yīng)的選項(xiàng)卡，為該通道中的不同階段設(shè)置操作參數(shù)，并查看結(jié)果在單獨(dú)的選項(xiàng)卡中。 （圖片來源：Maxim Integrated）

結(jié)論

在開發(fā)下一代健康產(chǎn)品時(shí)，開發(fā)人員在執(zhí)行一系列測量所面臨的各種挑戰(zhàn)方面面臨各種挑戰(zhàn)，以滿足新出現(xiàn)的詳細(xì)臨床需求等級生理數(shù)據(jù)。如圖所示，Maxim Integrated的MAX86140和MAX30001提供近乎可靠的插入式解決方案，能夠使用廣為接受的光學(xué)傳感，生物電位和生物阻抗技術(shù)進(jìn)行這些測量。

使用這些器件及其相關(guān)評估開發(fā)人員可以快速設(shè)計(jì)和實(shí)施能夠提供臨床級健康信息的復(fù)雜產(chǎn)品。