可穿戴設(shè)備的心率測量性能解決方案

消費者驅(qū)動的按需健身指標為使用心率監(jiān)測器（HRM）的應(yīng)用創(chuàng)造了機會，該心率監(jiān)測器不僅嵌入智能手表和健身可穿戴設(shè)備中，而且還嵌入在運動器材中。在HRM方法中，脈搏血氧儀提供了最大的消費者便利。然而，脈沖血氧測量功能的電子，機械和軟件設(shè)計中的挑戰(zhàn)性要求可能增加最終產(chǎn)品本身的實施的顯著復(fù)雜性和延遲。

Maxim Integrated MAX30102等集成生物傳感器為在專用可穿戴設(shè)備或健身設(shè)備中實施HRM提供了一種更簡單的方法。

人力資源管理信息需求

心率是運動強度最熟悉和最容易測量的儀表之一。健康組織根據(jù)最大心率表示運動強度目標，通常接受為220減去個體年齡的值。美國心臟協(xié)會建議，大多數(shù)人在開始鍛煉計劃時應(yīng)以最大強度的50％左右運動，之后不超過最大值的85％。

健身愛好者和運動員使用更精細的心臟漸變速率強度水平，以達到特定的訓(xùn)練條件（見表1）。在最大心率的72-78％時，訓(xùn)練超過從有氧訓(xùn)練到無氧訓(xùn)練的閾值。低于此水平的運動可提供中樞心臟系統(tǒng)益處，例如改善心輸出量。高于此閾值的訓(xùn)練可為周圍環(huán)境帶來益處，例如改善毛細血管化。

86-92％，訓(xùn)練達到血乳酸積聚（OBLA）的開始，乳酸累積到顯著水平，并且明顯降低。性能。 OBLA水平的訓(xùn)練提高了個人清除乳酸的能力，并提高了訓(xùn)練有素的運動員的肌肉表現(xiàn)。

區(qū)域％最大心率訓(xùn)練類型5 93 - 100％最大訓(xùn)練4 86 - 92％OBLA訓(xùn)練3 79 - 85 ％穩(wěn)態(tài)訓(xùn)練2 72 - 78％乳酸閾值訓(xùn)練1 65 - 71％中等

表1：運動員使用心率測量來針對特定類型的訓(xùn)練。 （資料來源：美國運動醫(yī)學(xué)院）

除心率外，培訓(xùn)專家還會跟蹤血氧飽和度，以衡量個人的氧氣消耗效率，以便比使用簡單的人力資源管理更加詳細地了解運動情況。 SpO2定義為血紅蛋白的估計氧飽和度，通過脈搏血氧計測量并表示為百分比。 SpO2可以合理估計真實動脈血氧飽和度SaO2，它是從血液樣本中測量的。

脈搏血氧飽和度

心率的測量利用了與血流和血紅蛋白脫氧相關(guān)的光吸收的變化。最簡單的方法是光電容積描記法，利用皮膚光吸收的變化，因為當(dāng)每次心臟搏動將血液推過它們時，由局部血管短暫擴張引起的局部血容量逐漸增加。更可靠的方法，脈搏血氧儀，利用血紅蛋白在氧合和脫氧狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)的差異光吸收。

圖1：脈搏血氧儀利用紅色和紅外波長的脫氧血紅蛋白（Hb）和氧合血紅蛋白（HbO2）的差分能量吸收。 （圖片來源：Wiki Commons）

如圖1所示，脫氧血紅蛋白（Hb）比紅外光吸收更多的紅光，而氧合血紅蛋白（HbO2）吸收的紅外光比紅光更多。脈沖血氧計比較脫氧血紅蛋白在約660nm處的吸收讀數(shù)和在約880nm處的氧合血紅蛋白以計算SpO2。這種差分測量方法比光電容積描記法產(chǎn)生更清晰的心率數(shù)據(jù)，因為它對運動，噪聲或其他測量偽像不太敏感。盡管脈搏血氧儀在概念上很簡單，但實施會帶來多重有趣的挑戰(zhàn)。

設(shè)計挑戰(zhàn)

鑒于血流變化率相對較低，典型的脈搏血氧儀設(shè)計可以在相應(yīng)的低收購率。典型設(shè)計將以低頻率和最小占空比交替驅(qū)動紅色和紅外LED，以最大限度地降低功耗。低占空比下的操作還允許在兩個LED關(guān)閉時基線測量環(huán)境光。但是，在驅(qū)動LED時，您需要將噪聲降至最低，同時以適合每種類型LED的精確電平提供電流脈沖。此外，需要仔細控制紅色和紅外LED電流脈沖之間的時序，以保持測量的完整性。能夠滿足這些要求的設(shè)計可能相對復(fù)雜。

圖2：典型的脈搏血氧儀設(shè)計使用獨立的低噪聲電流驅(qū)動器來管理電流驅(qū)動紅色和紅外LED，在應(yīng)用中交替切換具體的工作周期和頻率。 （圖像源：Maxim Integrated）

為了驅(qū)動每個LED，設(shè)計人員有時會使用單獨的電流驅(qū)動器子電路，每個電路都包含一個用于電流控制的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），一個用于噪聲的濾波器級減小，以及力感配置中的運算放大器（圖2）。反過來，每個LED驅(qū)動器子電路的輸出以所選頻率和占空比切換到相關(guān)LED。在此配置中，力感運放配置允許您使用最少的附加組件輕松設(shè)置所需的增益。但是，在實現(xiàn)此設(shè)計時，您需要仔細匹配每個路徑中的組件，以最大限度地減少增益誤差。

這種整體設(shè)計的變化伴隨著他們自己的權(quán)衡。例如，您可以通過使用單個DAC來降低復(fù)雜性，但可能會以額外噪聲為代價。輸出側(cè)產(chǎn)生的較高噪聲會降低輸入側(cè)的信噪比（SNR），降低整體性能。

脈沖血氧儀設(shè)計人員使用兩種通用方法測量紅光和紅外光。一種方法主要在模擬域中執(zhí)行測量，使用針對每個波長的專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），或者與LED驅(qū)動器同步的單個高分辨率ADC來測量每個波長的結(jié)果。或者，您可以主要在數(shù)字域中執(zhí)行測量。這種方法簡化了硬件設(shè)計，折衷是軟件復(fù)雜性的適度增加。兩種方法的核心是跨阻抗放大器（TIA）將光電二極管輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓，供ADC測量（圖3）。

圖3：脈沖血氧計使用單個光電二極管和相關(guān)信號鏈來感測透射或反射光，該信號鏈包括跨阻抗放大器，濾波器，可編程增益放大器（PGA）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。 （圖像源：Maxim Integrated）

在脈搏血氧儀中，感興趣的信號將產(chǎn)生相對較小的光電二極管電流輸出，特別是與環(huán)境光源產(chǎn)生的電流相比。為了在這種環(huán)境中最大化SNR，TIA本身需要表現(xiàn)出非常低的輸入電流和噪聲。高通濾波器通常用于去除信號的環(huán)境源分量。最后，可編程增益放大器設(shè)置為使用ADC的全動態(tài)范圍，以實現(xiàn)最佳信號轉(zhuǎn)換分辨率。

除了精心設(shè)計LED輸出和光電二極管輸入電路外，脈搏血氧儀設(shè)計還需要適當(dāng)?shù)臋C械放置LED相對于光電二極管的器件。事實上，脈搏血氧儀使用兩種不同的物理配置來測量光輸出。設(shè)計用于連接手指或耳垂的設(shè)備可測量紅光和紅外光的傳輸。在這些裝置中，LED和光電二極管放置在相對側(cè)，通常包含在夾子的相對臂中。位于夾子的一個臂中的LED通過身體部分照射光，而位于相對臂中的光電二極管讀取透射光水平。

相比之下，設(shè)計用于佩戴在手腕上或放置在患者身上的裝置前額依賴于紅光和紅外光的反射。在這些裝置中，LED和光電二極管都位于裝置的同一側(cè)，以便接觸皮膚。反射HRM為用戶提供了更大的靈活性，因為它們可以放置在任何足夠平坦的皮膚區(qū)域。然而，對于設(shè)計者而言，這種方法需要將LED和光電二極管相對于彼此仔細定位，以優(yōu)化紅光和紅外光的接收，因為每個波長都是從通過皮膚表面的血流中反射出來的。

集成解決方案

脈搏血氧儀中使用的差分測量方法看似簡單，這掩蓋了嚴格的模擬和機械設(shè)計要求的復(fù)雜性。尋求將HRM功能添加到產(chǎn)品中的開發(fā)人員可以通過將Maxim Integrated MAX30102放入其產(chǎn)品設(shè)計中而相對較少的努力，而不是處理機械問題和關(guān)鍵LED輸出和光電二極管輸入電路設(shè)計。

MAX30102是一款獨立模塊，可滿足前面所述的電子和機械要求。除了用于低噪聲LED電流管理和光電二極管信號采集的電子設(shè)備外，它還包括紅色和紅外LED以及光電二極管，所有這些都是進行光吸收測量的最佳位置。您只需添加一些外部組件即可實現(xiàn)能夠向主處理器提供心率數(shù)據(jù)的脈搏血氧儀子系統(tǒng)（圖4）。

圖4：Maxim Integrated MAX30102模塊包括LED，光電二極管和相關(guān)的電子電路，只需幾個額外的元件即可實現(xiàn)脈沖血氧儀。 （使用Digi-Key Scheme繪制的圖表 - 它）

模塊的紅色LED和IR LED的驅(qū)動電流可以單獨設(shè)置為0到50 mA。此外，LED脈沖寬度持續(xù)時間可以設(shè)置為69μs至411μs，以優(yōu)化測量精度和功耗之間的折衷。當(dāng)脈搏血氧儀的傳感器從用戶的皮膚表面移除時，集成的接近功能進一步有助于降低功率要求。

在輸入端，該設(shè)備集成了一個完整的SpO2測量子系統(tǒng)，它結(jié)合了環(huán)境光取消（ALC），專有的離散時間濾波器和sigma-delta ADC。您可以將18位ADC的滿量程輸入范圍編程為2μA至16μA，采樣速率范圍為每秒50個采樣至3,200。該模塊的集成溫度傳感器可以補償與溫度相關(guān)的測量誤差。

測量過程

MAX30102可以作為傳統(tǒng)的光電容積描記圖（PPG）在心率模式下工作紅色LED，或使用紅色和紅外LED的SpO2模式。當(dāng)個體處于靜止?fàn)顟B(tài)時，心率模式有助于降低功率需求。然而，在活動期間，運動偽像會使用PPG方法獲得的脈沖信號變得模糊。憑借其差分測量方法，SpO2模式可提供穩(wěn)定的測量，但與正確順序驅(qū)動兩個LED相關(guān)的功率要求和操作復(fù)雜性均有所增加。

支持紅色和紅外LED照明的交替序列，MAX30102提供兩個LED通道（圖5）。每個通道可以提供69,118,215或411μs持續(xù)時間的脈沖，脈沖之間的預(yù)設(shè)時間分別為358,407,505或696μs。此外，采樣率隱含地設(shè)置脈沖寬度的上限。例如，在3,200 sps的最大采樣率下，脈沖寬度被限制為最大69μs，導(dǎo)致紅色和IR脈沖之間的延遲為358μs（參見圖5）。選定的脈沖寬度還將ADC分辨率設(shè)置為15位（69μs脈沖寬度），16位（118μs），17位（215μs）或19位（411μs）。

圖5：Maxim Integrated MAX30102提供單獨的通道，用于驅(qū)動紅色和紅外LED，具有指定的脈沖寬度，重復(fù)率和紅色和紅外交替脈沖之間的時間延遲。 （圖像源：Maxim Integrated）

在接收端，MAX30102集成了先進先出（FIFO）緩沖器，可存儲多達32個采樣。因此，主機處理器不需要在每個樣本之后讀取傳感器輸出數(shù)據(jù)。相反，主機可以定期獲取補償所需的溫度數(shù)據(jù)，依靠FIFO同時保留心率數(shù)據(jù)，同時MAX30102繼續(xù)以預(yù)設(shè)速率采樣（圖6）。

圖6：Maxim Integrated的MAX30102數(shù)據(jù)緩沖器可以定期測量溫度，而不會以預(yù)設(shè)的采樣速率中斷紅色和紅外數(shù)據(jù)采集。 （圖像源：Maxim Integrated）

如圖6所示，完整的脈沖血氧飽和度采樣序列首先將器件設(shè)置為SpO2模式，方法是將0x03寫入器件模式控制寄存器的2：0位。采樣過程中，采樣軟件可以將器件溫度配置寄存器中的TEMP_EN位置1，以啟動溫度測量（圖中的事件“1”）。當(dāng)MAX30102完成溫度測量時，它會觸發(fā)TEMP_RDY中斷以提醒主機（“2”）。反過來，當(dāng)主機讀取溫度數(shù)據(jù)（“3”）時，中斷被清除。當(dāng)FIFO采樣緩沖區(qū)達到“幾乎滿”閾值（設(shè)備配置寄存器中設(shè)置的值）時，器件發(fā)出中斷（“4”），指示主機讀取FIFO，自動清除中斷（“5” “）并將FIFO讀指針調(diào)整到下一個新樣本（”6“）的位置。由于每次FIFO讀取都會調(diào)整FIFO指針，因此該過程可以無限期地繼續(xù)，直到應(yīng)用程序明確終止SpO2測量。

<快速開發(fā)

對于希望加速HRM應(yīng)用開發(fā)的開發(fā)人員，Maxim Integrated提供其MAXREFDES117＃參考設(shè)計（參見Digi-Key文章“MAXREFDES117＃：心率和脈搏氧飽和度監(jiān)測”）。為了幫助您熟悉脈搏血氧儀設(shè)計，該參考設(shè)計包括硬件和軟件，它們共同提供完整的獨立HRM解決方案。該套件的小巧12.7 mm x 12.7 mm板包含MAX30102心率/SpO2傳感器，低權(quán)力MA X1921降壓轉(zhuǎn)換器和MAX14595電平轉(zhuǎn)換器（圖7）。 MAX1921降壓轉(zhuǎn)換器將系統(tǒng)電源降至MAX30102所需的1.8 V電平。 MAX14595電平轉(zhuǎn)換器處理MAX30102接口與主機板之間的邏輯電平差異。

圖7：Maxim Integrated MAXREFDES117＃參考設(shè)計包括一個12.7 mm x 12.7 mm電路板（頂部），它將MAX30102與降壓轉(zhuǎn)換器和電平轉(zhuǎn)換器（底部）相結(jié)合，使其可以與流行的開發(fā)板一起使用或任何提供I 2 C接口的MCU。 （圖像源：Maxim Integrated）

參考設(shè)計板可與任何提供I 2 C接口的MCU一起使用。對于尋求快速開始應(yīng)用開發(fā)的設(shè)計人員，Maxim Integrated為ARM?mbed或Arduino平臺提供了軟件庫示例。使用樣品軟件，參考設(shè)計板的功耗低于5.5 mW，并達到了與領(lǐng)先的胸帶HRM產(chǎn)品相當(dāng)?shù)木_度（圖8）。

圖8：Maxim Integrated MAXREFDES117＃參考設(shè)計提供硬件和樣本軟件，可提供接近Polar H7胸帶的測量精度。 （圖片來源：Maxim Integrated）

示例源代碼旨在幫助您熟悉HRM應(yīng)用程序，實際上提供了一個全面的HRM基礎(chǔ)庫。該代碼包括例程 maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation 中SpO2算法的完整實現(xiàn)，它接受以下輸入：

* aun_ir_buffer 指向IR傳感器數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的指針

n_ir_buffer_length IR傳感器數(shù)據(jù)緩沖區(qū)長度

* aun_red_buffer 指向紅色傳感器數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的指針

例程 maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation 更新以下參數(shù)（作為函數(shù)調(diào)用參數(shù)列表中的指針提供）：

* n_spo2 計算的SpO2值

* ch_spo2_valid “1”如果計算的SpO2值有效

* n_heart_rate 如果計算出的心率值有效，則計算心率值

* ch_hr_valid “1”

Maxim Integrated示例代碼顯示了如何在示例應(yīng)用程序中使用軟件庫，該應(yīng)用程序在開發(fā)人員的控制臺上顯示獲取的心率數(shù)據(jù)。初始化MAX30102后，示例應(yīng)用程序首先使用例程 maxim_max30102_read_fifo 收集樣本五秒鐘，然后使用例程 maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation 計算心率，繼續(xù)無限循環(huán)收集采樣和計算心率直到用戶終止。

maxim_max30102_init（）;//初始化MAX30102

n_brightness = 0;

< code> un_min = 0x3FFFF;

un_max = 0;

< code> n_ir_buffer_length = 500;//緩沖區(qū)長度100個存儲5秒樣本以100sps運行

//讀取前500個樣本，并確定信號范圍

for（i = 0; i

{

while（INT .read（）== 1）;//等到中斷引腳置位

maxim_max30102_read_fifo（（aun_red_buffer + i），（aun_ir_buffer + i）） ;//從MAX30102讀取FIFO

if（un_min> aun_red_buffer [i]）

un_min = aun_red_buffer [i];//更新信號min

if（un_max

un_max = aun_red_buffer [i];//更新信號max

}

un_prev_data = aun_red_buffer [i];

//計算前500個樣本后的心率和SpO2（樣本前5秒） ）

maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation（aun_ir_buffer，n_ir_buffer_length，aun_red_buffer，＆amp; n_sp02，＆amp; ch_spo2_valid，＆amp; n_heart_rate，＆amp; ch_hr_valid）;

//從MAX30102連續(xù)取樣。心率和SpO2每1秒計算一次

while（1）

<代碼> {

//永遠循環(huán)，重復(fù)以上序列：

//從fifo讀取樣本

//計算心率

}

結(jié)論

心率是衡量個人健康和健康水平的重要指標。越來越多的消費者對測量這一至關(guān)重要的統(tǒng)計數(shù)據(jù)的興趣使得心率測量不僅在健身設(shè)備方面，而且在大眾市場可穿戴設(shè)備中也是一個重要的差異化因素。脈搏血氧儀可為心率測量提供高度靈活的解決方案，但對電子，機械和軟件設(shè)計提出了嚴格的要求。隨著Maxim Integrated MAX30102生物傳感器模塊和相關(guān)MAXREFDES117＃參考設(shè)計的推出，您可以使用最少的附加硬件或軟件實現(xiàn)脈沖血氧儀，幾乎可以用于任何專為健身或日常使用而設(shè)計的產(chǎn)品。