對能夠從個人健康監(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，為快速實施能夠進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的一個此類解決方案，討論如何使用它來解決先進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，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)境中進行診斷，以及在更廣泛的健身環(huán)境中進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R波到下一個R波之間的時間（稱為R-to-R測量）提供了心率的瞬時測量。經(jīng)驗豐富的臨床醫(yī)生可以通過檢查每個波形的形狀和幅度以及波形之間的時間變化來辨別有關(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)建能夠進行這些測量的系統(tǒng)仍然是一項重大挑戰(zhàn)。很少有開發(fā)團隊擁有技術(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)所需的時間最多也會延遲實施提供更復(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，兩個波長返回的光可能受到每個波長穿透的影響，就像每個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。

光學(xué)傳感解決方案

專為健身和健康應(yīng)用而設(shè)計， 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，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)備從用戶移除時節(jié)省電量。在這里，器件通過將采樣率降至8 sps并進入動態(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，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)用戶從黑暗房間進入陽光和返回時可能發(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)有很大偏差的單個樣品，并通過外推樣品歷史記錄創(chuàng)建一個值。

在發(fā)送器端，MAX86140集成了三個可編程LED可以配置為驅(qū)動總共六個LED的驅(qū)動器。由獨立的LED驅(qū)動器電源供電，每個LED驅(qū)動器通道包括一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和一個能夠直接從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)控制器進行編程，以同時或順序驅(qū)動其三個LED驅(qū)動器通道中的一個或多個（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LED驅(qū)動序列之后測量環(huán)境光，以補償干擾環(huán)境光源。

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

除了多個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€字的指針。在采樣時，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)記順序存儲每個樣本。如果使用多個LED，則FIFO數(shù)據(jù)將每個LED樣本（和識別標(biāo)簽）存儲在順序FIFO位置以用于單個采樣事件。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FIFO樣本，2個通道，3個字節(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)備進行編程，以定期在FIFO中包括時間戳。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)人員還添加了一個光電二極管，如Vishay Semiconductor VEMD5010X01和一個或多個具有適合特定應(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現(xiàn)心率和脈搏血氧飽和度設(shè)計。 （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，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)計的原理圖和硬件實現(xiàn)。除了完全實現(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的操作，Windows程序為開發(fā)人員提供了一個簡單的工具。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)實現(xiàn)了諸如引線和引線檢查，極性設(shè)置，偏置和ESD保護等重要功能（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，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，保護用戶和敏感內(nèi)部電路免受放置胸帶時可能發(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或四個物理電極，以進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等器件進行可選（但推薦）的除顫保護，從而進一步減少器件數(shù)量。

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

MAX30034專門設(shè)計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，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，無需單獨的時間戳數(shù)據(jù)，同時允許開發(fā)人員重建時基。 MAX30001為生物電位和生物阻抗樣本提供單獨的FIFO，并為R-to-R心率數(shù)據(jù)提供單個輸出寄存器。與MAX86140一樣，MAX30001為每個FIFO位置填充數(shù)據(jù)值和相關(guān)標(biāo)簽，提供有關(guān)每個采樣的狀態(tài)信息。

基于MAX30001的監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)除輸入外幾乎不需要額外的組件保護網(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)計相關(guān)的挑戰(zhàn)。另一方面，開發(fā)人員可能會花時間嘗試為設(shè)備的大量配置和操作選項找到最佳設(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。使用單獨的選項卡，開發(fā)人員可以檢查每個通道的各個組件的各個設(shè)置的有效選項，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)果在單獨的選項卡中。 （圖片來源：Maxim Integrated）

結(jié)論

在開發(fā)下一代健康產(chǎn)品時，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)計和實施能夠提供臨床級健康信息的復(fù)雜產(chǎn)品。