您的靜息心率為您提供了一個了解健康狀況的良好窗口。因此，我們在市場上看到如此多的可穿戴光學心率監測器也就不足為奇了。這些設備通常使用光體積描記法 （PPG），它是對心動周期導致的組織中血液體積變化的光學測量。LED 通常用于傳輸路徑以提供光源，而光電二極管通常用于接收路徑以收集從血流折射和反射的光。最后，然后使用算法生成脈沖讀數。

由于人體皮膚及其所有層的性質，創建可從指尖準確測量心率的可穿戴設備具有挑戰性。皮膚是一種復雜的、異質的成分矩陣，會散射和吸收光。為了模擬皮膚，我們可以將組織基質分層為多個層。在每個分層層，我們可以應用吸收、散射、各向異性和折射率屬性來表示每層的整體行為。

然后將分層組織模型與光學心率監測器的光學模型一起放入光學設計軟件中。該軟件跟蹤 LED 發出的每條光線的路徑。然后可以更改系統參數以影響路徑長度并最大化接收路徑信號。例如，穿透深度會受到改變光源波長的影響。最終目標是詢問皮膚中所需的深度——例如，用于改進光學心率監測的血液真皮層。

現在，皮膚光學特性的差異將影響檢測到的 PPG 信號的大小和質量。然而，知情的設備設計可以提高性能。什么構成知情設備設計？讓我們看看下一節中的一些參數。

測量 PPG 信號的挑戰

從可穿戴心率監測的角度來看，測量 PPG 信號面臨著信噪比、環境光消除、功耗和運動補償等方面的挑戰。對于信號鏈優化，心率監測算法通常需要大于 10dB 的信噪比。

在傳統的接收器路徑中，跨阻放大器 （TIA） 將光電流轉換為電壓。光電流通常在亞納安到數十微安，具體取決于光電二極管面積和量子效率 （QE）。除非管理得當，否則環境光和串擾可能大于信號。好的設計將受到散粒噪聲的限制。

Maxim 的接收路徑使用電流模式、連續時間、sigma-delta 轉換器直接轉換來自光電二極管的電流。這種架構有以下好處：

寬環境消除范圍，受 VDD 和圖 1 中 P1 大小的限制

寬信號范圍，獨立于 VDD

面積效率，避免使用大型抗混疊濾波器

電源效率，避免 TIA 的額外電流

高信噪比，接近理論最大值

圖 1：連續時間、電流模式、Σ-Δ ADC

考慮到環境光消除，直流和交流環境光抑制都很重要。直流環境光會使傳感器飽和，而交流環境光會使信號檢測變得困難。窄脈沖比寬脈沖更有效，但由于需要高帶寬，噪聲可能會帶來挑戰。

為了更有效地消除環境光，Maxim 采用了兩步法（如圖 2 所示）：

第 1 步：模擬課程取消，此時 LED 關閉，環境光在 P1 的柵極上進行采樣

第 2 步：數字精細消除，其中 LED 關閉，數字濾波器去除殘留的 DC、AC 和 1/F 噪聲

圖 2：有效消除環境光的兩步法。

心率監測器的傳輸路徑（圖 3）由 LED 電壓 （VLED） 組成，該電壓必須足夠高以支持 LED 的正向電壓 （VF）；運算放大器 （op amp），它必須具有良好的線性度和高電源抑制比 （PSRR），以減輕電源噪聲；和一個 LED，對于大多數心率監測器來說通常是綠色的。

圖 3：心率監測的傳輸路徑。

開發心率監測系統還需要考慮所涉及的算法。噪聲抑制、信號檢測和運動補償都是需要解決的重要挑戰。例如，為了節省電力，設備必須能夠自動檢測何時與人體皮膚接觸。為了準確，該設備必須能夠抑制環境和模擬前端 （AFE） 噪聲。

心率和血氧監測需要準確檢測 PPG 峰（也稱為收縮峰）和 PPG 谷。在傳統算法中，運動補償使用快速傅里葉變換 （FFT） 或其他經典信號處理方法。這種方法實現起來很簡單，但幾乎不可能用經典濾波器消除所有運動類型。

去除運動偽影后，心率測定傳統上使用頻譜分析、多項式擬合或獨立卡爾曼濾波器。但是，這些方法也有缺點：

您需要足夠數量的心跳才能進行良好的 FFT 或多項式擬合

由于呼吸竇性心律失常，FFT 在心率頻率處總是有一個“模糊”峰值，因此很難知道報告什么頻率

卡爾曼模型不能是真實 PPG 模式的精確模型

由于頻率接近，很難通過頻譜分析將運動與心率區分開來

Maxim 開發了自己的專有算法，經過廣泛測試和證明可以克服許多這些缺點。

推進可穿戴健康設計的資源

當然，除了滿足測量PPG信號的要求外，可穿戴心率監測設備還必須符合可穿戴設備本身的參數。這些參數包括電源管理/長電池壽命、超小尺寸、臨床性能、集成和低功耗運行。

目前，基于手腕的可穿戴 PPG 傳感器設計種類繁多。市場仍在等待基于腕部的最佳心率監測器設計。同時，在您考慮下一個設計時，請考慮可幫助您應對技術和上市時間挑戰的資源。例如，Maxim 提供了一個開發平臺，可以快速輕松地評估客戶健康應用，并將生產開發時間縮短最多 6 個月。hSensor 平臺包括溫度傳感器、生物電勢 （ECG） AFE、脈搏血氧儀和心率傳感器、集成電源管理 IC （PMIC） 以及用于可穿戴設備的 ARM? Cortex?-M4F MCU。

如前所述，光學心率監測性能通過知情設計得到改善，而hSensor 平臺等設計資源代表了知情設計的重要元素。了解有關 Maxim 各種可穿戴健康解決方案的更多信息，看看您是否可以為基于手腕的心率監測器創建最佳設計。

審核編輯：郭婷