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選擇不同心跳率偵測技術的工程師指南
 

【作者: Mark Patrick】   2019年04月12日 星期五

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仰仗於可穿戴式設備,我們對心跳率有更多瞭解。可穿戴式設備適用於健身、保健和醫療等應用,本文探討用於偵測人心跳率的技術以及需要克服的一些技術挑戰。


心跳率資料可以提供有關個人身體狀況的重要訊息,其用途包括個人健身監測、偵測心律不整、以及醫院級對病人生命體癥的偵測。當今的無線和可穿戴技術不僅可以透過非侵入方式收集複雜資料,還可以即時分析和顯示,以及儲存和傳輸,以便日後分析。


這種技術已經為可穿戴式設備開闢出新的健身和保健消費市場,如健身腕帶、智慧手錶和胸帶動作監測儀。在醫療領域,非侵入性心跳率監測用於識別,諸如心臟血流不暢以及評估心臟病發作和栓塞形成等問題的風險。即使在醫院的病房,醫師現在也可以使用簡單的手持式心跳率監測儀和行動分析儀,定期「觀察」動脈血氧飽和度、呼吸速率和水合度(hydration levels)。見圖一。



圖一
圖一

對於非侵入式和/或可穿戴式設備的需求正在上升,而待收集資料的複雜性也在增大,在資料獲取、訊號調節和處理層面增添了重大技術挑戰,特別是對醫療應用,所有量測必須可靠、準確和安全。


量測心跳率有兩種主要方法。第一種是基於光學技術來偵測當每次心跳時血液流經靠近皮膚血管時光吸收或反射的變化,這種技術也可用於估計血液中的氧飽和度(脈動血氧飽和度)。主要的技術挑戰是低功耗、環境光抑制和環境雜訊消除。


第二種方法,即生醫電訊號(biopotential)量測,使用電壓感測電極來偵測由心肌組織產生,並被傳遞到皮膚的電活動。該資料用於生成心電圖(ECG),醫學專家廣泛使用心電圖來確定心臟健康狀況。生物阻抗量測還可以確定呼吸率和相對振幅,與該方法相關的關鍵技術挑戰是低功率運作、動作補償以及抑制其他雜訊干擾等。


光脈衝血氧儀

幸運的是,對於開發人員來說,可以針對心跳率監測使用許多專用的光學資料獲取系統。例如Maxim Integrated的MAX86140和MAX86141專對偵測光學心跳率、氧飽和度和肌肉氧飽和度進行了優化,這些資料可透過與手腕、手指、耳朵和其他位置接觸的監測儀得到,見圖二。



圖二
圖二

雖然基本的光學心跳率監測通常需要單個光源,但脈動血氧計則需要兩個。為了獲得更高的精度和盡可能大的量測範圍,通常使用多個光源。MAX86140和MAX86141可分別提供單光學通道和雙光學通道。


在發送器端,可配置三個可程式大電流LED驅動器,以驅動多達六個LED。由於兩個設備運作在主從模式,LED驅動器可以驅動多達12個LED。這些元件的一個關鍵特性是強大的專有環境光消除(ALC)電路,特別適用於在明亮條件下確保精度。此外,該系統可以應對光照水準的快速變化。「柵欄牆」偵測和替換演算法允許使用外推值替換偽樣本。


產品的其他主要功能,包括具有19位元元sigma-delta ADC、電壓基準和溫度感測器的低雜訊訊號調節類比前端(AFE)。ADC輸出資料速率為可程式,從8至8192 sps。這些裝置只需極少的外部硬體。128字FIFO為數位輸出資料提供片上儲存,並可連接微控制器。


這兩款元件均採用1.8V主電源供電,具有獨立的3.1至5V LED驅動電源,可提供多種省電特性。它們具有靈活的定時和關斷配置,以及對各個功能塊的控制,這可以在最低功率水準下實現優化量測。動態功率降低模式用於較低的取樣速率,可低於128sps。當感測器不與皮膚接觸時,接近模式功能可以減少能量消耗。


光學控制器可以配置用於多種量測。能夠按順序脈衝一個、兩個或三個LED驅動器,根據脈動血氧儀要求進行多個波長的量測。當LED驅動器同時發出脈衝時,可以在腕戴式設備上進行心跳率量測,並可調節LED驅動電平以補償增大的雜訊,例如存在較大環境干擾訊號的情形。


生醫電訊號ECG量測

心電圖可以量測心跳率並提供有關個體訊號的詳細訊息,為專業人員提供心臟檢查的更多細節。它還允許在健身應用中進行更可靠的心跳率監測,特別是在使用胸帶時。與具有相同精度水準的光學感測器相比,生醫電訊號量測通常需要明顯更低的功率。然而,ECG訊號的處理會迅速消耗電池電量。此外,ECG讀數對動作和其他干擾源非常敏感。因此,在健身應用中,動作補償尤其重要,並且動作也可能是雜訊的重要來源。


同樣,特定的專用設備可用於此類應用。考量Maxim Integrated的MAX30003,它可視為可穿戴應用的完整生醫電訊號AFE解決方案。該單通道元件具有臨床級ECG AFE和高解析度ADC,可提供15.5位元有效解析度和5V峰峰值雜訊。此外,它還具有ESD保護、EMI濾波、內部引線偏壓、DC引線斷開(leads-off)偵測和軟上電排序。高輸入阻抗可確保在幹啟動期間輸入端的訊號衰減最小。


透過盡可能高的AFE共模抑制比(CMMR)可實現動作補償和消除動作偽影之干擾。 MAX30003的CMRR特性通常高達115dB,可選的引線偏壓電阻有助於提高CMRR,並有助於提高輸入阻抗。各種低通和高通濾波器選項可用於限制頻寬,這對於衰減來自靜電和高頻訊號的雜訊非常重要。


對於健身應用,單電源高通轉角頻率應設置為5Hz,而臨床使用時,通常可降至0.5或0.05Hz。對於體育用途,共模低通轉角可設定為34Hz,這是在乾啟動(dry starts)期間限制襯衫或衣物雜訊的最佳水準。


1.1V電源電壓下的85uW超低功耗可延長電池壽命。引線開啟偵測功能在待機/深度睡眠模式(70uA)期間運作。32字FIFO包含多達32個ECG資料轉換結果,能夠節省主微控制器的活動,因而它可以長時間保持睡眠模式,從而降低功耗。同樣,MCU可程式為不處理潛在的無效資料,用於R-R峰值間隔的內建演算法可進一步節省功耗,因此MCU僅消耗約1uA,而相較之下,在MCU上託管的功耗要高出50至100倍。


非常有用的是,Maxim提供了一個基於該元件開發可穿戴健康或健身產品的設計平台。 MAXREFDES100 #hSensor平台包括在單個PCB上實現的硬體構建模組,以及基於ARM mbed的程式板作為硬體開發套件(HDK)。除MAX30003外,MAX30101還透過光學元件(包括LED和光電探測器)以及具有環境光抑制功能的低雜訊電子元件增添脈動血氧飽和度功能。另外,MAX30205還具備臨床級溫度感測器,推薦的電源模組是MAX14750,能夠為MCU、AFE和數位介面提供多路輸出。


(本文作者 Mark Patrick任職於貿澤電子)


**刊頭圖(source:PCMag Australia)


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