簡化脈率／血氧可穿戴設備的設計

用于個人健康和保健的可穿戴設備是一個快速增長的市場。有腕帶設備（以 Fitbit 和 Garmin 等為代表），但它們只是一個起點。人們還對用于監測心率和血氧 （SpO2） 水平的更先進的可穿戴設備產生了極大的興趣，因為這些設備提供了對心臟功能和健康的重要洞察。為了獲得最大的洞察力，這種監控需要 24/7（或幾乎如此）在活動和休息狀態下進行。

用于個人健康和保健的可穿戴設備是一個快速增長的市場。有腕帶設備（以 Fitbit 和 Garmin 等為代表），但它們只是一個起點。人們還對用于監測心率和血氧 （SpO2） 水平的更先進的可穿戴設備產生了極大的興趣，因為這些設備提供了對心臟功能和健康的重要洞察。為了獲得最大的洞察力，這種監控需要 24/7（或幾乎如此）在活動和休息狀態下進行。
有趣的是，心率和血氧水平的測量呈現出兩種截然不同的情況，但它們正在趨同。顯然，心率是一個非侵入性的、易于測量的參數，至少在原則上是這樣：您所需要的只是接觸受試者的手腕、測量時間的手表，或許還有其他人來讀取讀數。然而，盡管這樣做顯然很容易，但它不能連續進行，盡管可以經常進行——但受試者必須處于坐姿（靜止）模式。
血氧讀數呈現出一個非常不同的故事。［氧飽和度是指血液中氧飽和血紅蛋白相對于總血紅蛋白（不飽和+飽和）的分數。］直到 1970 年代，它只能通過采集血樣然后將其送到醫院的侵入性程序來測量。實驗室。從很多方面來看，這顯然是一個令人不快甚至有風險的場景，并且顯然限制了更新的頻率（而且成本也很高）。然而，使用通過皮膚和血管在兩個不同波長的光學衰減讀數，可以準確、連續和實時地確定 SpO2 水平。
為什么要考慮參考設計？
如果一個有效的脈搏血氧飽和度系統只需要幾個 LED、光電傳感器和 IC，這似乎是一個相當簡單的設計和故事的結尾。然而，現實要復雜得多，在大多數現實世界的測試和測量情況下幾乎總是如此，尤其是在醫療應用中。
這就是 Maxim 開發MAXREFDES117#參考設計的原因，這是一款低功耗、光學心率模塊，包括集成的紅色和 IR LED 以及電源。這塊小板（僅 0.5in × 0.5in/1.25cm × 1.25cm，圖 1）可以放在手指或耳垂上以準確檢測心率。它包括一個心率/SpO2 傳感器 （MAX30102）、一個降壓轉換器 （MAX1921）和一個精確的電平轉換器 （MAX14595）。

圖 1. 使用 MAXREFDES117# 參考設計，設計人員可以測試他們的想法并將其集成到更大的醫療設備中。

MAXREFDES117# 參考設計解決了哪些心率檢測挑戰？首先，基本傳感器數據被噪聲（例如微小的用戶移動）以及其他異常破壞。此外，透光率與被測量的兩個參數（尤其是 SpO2）之間的關系不是簡單的表格查找或數據與最終答案之間的曲線擬合。相反，它相當復雜，需要校準、補償和確定一些方程常數，以及允許組件變化、溫度系數和其他因素。甚至測試和驗證結果也是一項挑戰。
但緊湊、完整的硬件只是所需設計的一部分。該模塊可與 Arduino 和 ARM? mbed? 平臺一起使用，以實現快速測試、開發和系統集成。它還在示例固件中包含一個基本的開源心率和 SpO2 算法。
包含用戶可以根據需要修改和改進的心率算法是參考設計故事的主要部分。在 AACN 重癥監護程序手冊中，Sandra L. Schutz 詳細說明了為什么從原始傳感器讀數到有意義、準確的讀數的路徑是復雜而微妙的。這取決于應用場景（例如 sedate v. active），這就是為什么算法本身可能需要 OEM 進行微調的原因；為運動中的運動員設計的產品在外形、用戶界面甚至算法細節上都不同于專為靜止對象設計的產品。這些場景屬于運動拒絕的類別。誠然，MAXREFDES117# 沒有加速度計，也沒有后續的運動抑制。
要使參考設計運行，用戶必須做一件簡單的事情：只需添加 2V 至 5.5V 電源；功耗約為 5mW，電流需求在低個位數 mA 范圍內。BOM、原理圖、布局文件和 Gerber 文件都可以從Maxim 網站的設計資源選項卡中獲得。如果這還不夠，參考設計的電路板甚至可以從 Maxim 購買。
Maxim 參考設計非常完整，用戶可以將其按原樣打包到最終產品中，從而避免“重新發明輪子”（可以這么說）用于光電容積脈搏圖 （PPG） 的基本現成設計-基于光學的心率/SpO2 傳感器?；蛘?，他們可以將其用作大型醫療設備的一部分，同時檢測、測量和監控多個健康和活動參數。

（作者：David Andeen）