账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
选择不同心跳率侦测技术的工程师指南
 

【作者: Mark Patrick】2019年04月12日 星期五

浏览人次:【7863】
  

仰仗於可穿戴式设备,我们对心跳率有更多了解。可穿戴式设备适用於健身、保健和医疗等应用,本文探讨用於侦测人心跳率的技术以及需要克服的一些技术挑战。


心跳率资料可以提供有关个人身体状况的重要讯息,其用途包括个人健身监测、侦测心律不整、以及医院级对病人生命体症的侦测。当今的无线和可穿戴技术不仅可以透过非侵入方式收集复杂资料,还可以即时分析和显示,以及储存和传输,以便日後分析。


这种技术已经为可穿戴式设备开辟出新的健身和保健消费市场,如健身腕带、智慧手表和胸带动作监测仪。在医疗领域,非侵入性心跳率监测用於识别,诸如心脏血流不畅以及评估心脏病发作和栓塞形成等问题的风险。即使在医院的病房,医师现在也可以使用简单的手持式心跳率监测仪和行动分析仪,定期「观察」动脉血氧饱和度、呼吸速率和水合度(hydration levels)。见图一。



图一
图一

对於非侵入式和/或可穿戴式设备的需求正在上升,而待收集资料的复杂性也在增大,在资料获取、讯号调节和处理层面增添了重大技术挑战,特别是对医疗应用,所有量测必须可靠、准确和安全。


量测心跳率有两种主要方法。第一种是基於光学技术来侦测当每次心跳时血液流经靠近皮肤血管时光吸收或反射的变化,这种技术也可用於估计血液中的氧饱和度(脉动血氧饱和度)。主要的技术挑战是低功耗、环境光抑制和环境杂讯消除。


第二种方法,即生医电讯号(biopotential)量测,使用电压感测电极来侦测由心肌组织产生,并被传递到皮肤的电活动。该资料用於生成心电图(ECG),医学专家广泛使用心电图来确定心脏健康状况。生物阻抗量测还可以确定呼吸率和相对振幅,与该方法相关的关键技术挑战是低功率运作、动作补偿以及抑制其他杂讯干扰等。


光脉冲血氧仪

幸运的是,对於开发人员来说,可以针对心跳率监测使用许多专用的光学资料获取系统。例如Maxim Integrated的MAX86140和MAX86141专对侦测光学心跳率、氧饱和度和肌肉氧饱和度进行了优化,这些资料可透过与手腕、手指、耳朵和其他位置接触的监测仪得到,见图二。



图二
图二

虽然基本的光学心跳率监测通常需要单个光源,但脉动血氧计则需要两个。为了获得更高的精度和尽可能大的量测范围,通常使用多个光源。MAX86140和MAX86141可分别提供单光学通道和双光学通道。


在发送器端,可配置三个可程式大电流LED驱动器,以驱动多达六个LED。由於两个设备运作在主从模式,LED驱动器可以驱动多达12个LED。这些元件的一个关键特性是强大的专有环境光消除(ALC)电路,特别适用於在明亮条件下确保精度。此外,该系统可以应对光照水准的快速变化。「栅栏墙」侦测和替换演算法允许使用外推值替换伪样本。


产品的其他主要功能,包括具有19位元元sigma-delta ADC、电压基准和温度感测器的低杂讯讯号调节类比前端(AFE)。ADC输出资料速率为可程式,从8至8192 sps。这些装置只需极少的外部硬体。128字FIFO为数位输出资料提供片上储存,并可连接微控制器。


这两款元件均采用1.8V主电源供电,具有独立的3.1至5V LED驱动电源,可提供多种省电特性。它们具有灵活的定时和关断配置,以及对各个功能块的控制,这可以在最低功率水准下实现优化量测。动态功率降低模式用於较低的取样速率,可低於128sps。当感测器不与皮肤接触时,接近模式功能可以减少能量消耗。


光学控制器可以配置用於多种量测。能够按顺序脉冲一个、两个或三个LED驱动器,根据脉动血氧仪要求进行多个波长的量测。当LED驱动器同时发出脉冲时,可以在腕戴式设备上进行心跳率量测,并可调节LED驱动电平以补偿增大的杂讯,例如存在较大环境干扰讯号的情形。


生医电讯号ECG量测

心电图可以量测心跳率并提供有关个体讯号的详细讯息,为专业人员提供心脏检查的更多细节。它还允许在健身应用中进行更可靠的心跳率监测,特别是在使用胸带时。与具有相同精度水准的光学感测器相比,生医电讯号量测通常需要明显更低的功率。然而,ECG讯号的处理会迅速消耗电池电量。此外,ECG读数对动作和其他干扰源非常敏感。因此,在健身应用中,动作补偿尤其重要,并且动作也可能是杂讯的重要来源。


同样,特定的专用设备可用於此类应用。考量Maxim Integrated的MAX30003,它可视为可穿戴应用的完整生医电讯号AFE解决方案。该单通道元件具有临床级ECG AFE和高解析度ADC,可提供15.5位元有效解析度和5V峰峰值杂讯。此外,它还具有ESD保护、EMI滤波、内部引线偏压、DC引线断开(leads-off)侦测和软上电排序。高输入阻抗可确保在干启动期间输入端的讯号衰减最小。


透过尽可能高的AFE共模抑制比(CMMR)可实现动作补偿和消除动作伪影之干扰。 MAX30003的CMRR特性通常高达115dB,可选的引线偏压电阻有助於提高CMRR,并有助於提高输入阻抗。各种低通和高通滤波器选项可用於限制频宽,这对於衰减来自静电和高频讯号的杂讯非常重要。


对於健身应用,单电源高通转角频率应设置为5Hz,而临床使用时,通常可降至0.5或0.05Hz。对於体育用途,共模低通转角可设定为34Hz,这是在乾启动(dry starts)期间限制衬衫或衣物杂讯的最隹水准。


1.1V电源电压下的85uW超低功耗可延长电池寿命。引线开启侦测功能在待机/深度睡眠模式(70uA)期间运作。32字FIFO包含多达32个ECG资料转换结果,能够节省主微控制器的活动,因而它可以长时间保持睡眠模式,从而降低功耗。同样,MCU可程式为不处理潜在的无效资料,用於R-R峰值间隔的内建演算法可进一步节省功耗,因此MCU仅消耗约1uA,而相较之下,在MCU上托管的功耗要高出50至100倍。


非常有用的是,Maxim提供了一个基於该元件开发可穿戴健康或健身产品的设计平台。 MAXREFDES100 #hSensor平台包括在单个PCB上实现的硬体构建模组,以及基於ARM mbed的程式板作为硬体开发套件(HDK)。除MAX30003外,MAX30101还透过光学元件(包括LED和光电探测器)以及具有环境光抑制功能的低杂讯电子元件增添脉动血氧饱和度功能。另外,MAX30205还具备临床级温度感测器,推荐的电源模组是MAX14750,能够为MCU、AFE和数位介面提供多路输出。


(本文作者 Mark Patrick任职於贸泽电子)


**刊头图(source:PCMag Australia)


相关文章
公路照明:进阶光电子技术展示在汽车行业之价值
卓越的编码器技术满足不妥协工业环境应用之要求
无刷直流马达控制应对新挑战
Li-Fi:通向更高速率资料通讯之途径
微型感测器使车辆变得更加智慧
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新闻
» Epson乾式再生制纸机首度在台亮相
» 智慧显示展8月登场 跨界整合抢攻未来商机
» 贸泽电子荣获KEMET亚太地区年度最隹服务代理商
» 工研院生医成果助攻精准医疗与居家医疗落地化
» 台湾生医晶片产业链强强联手 打造卵巢癌检测新利器
  相关产品
» Maxim推出符合II类医疗精确度标准的无袖带血压测量方案
» Maxim发布汽车级安全认证器 有效增强汽车安全性
» Maxim推出ASIL-D等级单晶片电池监测器IC 支援中大型电池组应用
» 贸泽供货Maxim安全装置 适用於抛弃式医疗设备
» Maxim发布电量计IC MAX17301/11 整合电池保护器

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw