簡(jiǎn)化脈率／血氧可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)

用于個(gè)人健康和保健的可穿戴設(shè)備是一個(gè)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)。有腕帶設(shè)備（以 Fitbit 和 Garmin 等為代表），但它們只是一個(gè)起點(diǎn)。人們還對(duì)用于監(jiān)測(cè)心率和血氧 （SpO2） 水平的更先進(jìn)的可穿戴設(shè)備產(chǎn)生了極大的興趣，因?yàn)檫@些設(shè)備提供了對(duì)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(jiān)控需要 24/7（或幾乎如此）在活動(dòng)和休息狀態(tài)下進(jìn)行。

用于個(gè)人健康和保健的可穿戴設(shè)備是一個(gè)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)。有腕帶設(shè)備（以 Fitbit 和 Garmin 等為代表），但它們只是一個(gè)起點(diǎn)。人們還對(duì)用于監(jiān)測(cè)心率和血氧 （SpO2） 水平的更先進(jìn)的可穿戴設(shè)備產(chǎn)生了極大的興趣，因?yàn)檫@些設(shè)備提供了對(duì)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(jiān)控需要 24/7（或幾乎如此）在活動(dòng)和休息狀態(tài)下進(jìn)行。
有趣的是，心率和血氧水平的測(cè)量呈現(xiàn)出兩種截然不同的情況，但它們正在趨同。顯然，心率是一個(gè)非侵入性的、易于測(cè)量的參數(shù)，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(cè)量時(shí)間的手表，或許還有其他人來(lái)讀取讀數(shù)。然而，盡管這樣做顯然很容易，但它不能連續(xù)進(jìn)行，盡管可以經(jīng)常進(jìn)行——但受試者必須處于坐姿（靜止）模式。
血氧讀數(shù)呈現(xiàn)出一個(gè)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(duì)于總血紅蛋白（不飽和+飽和）的分?jǐn)?shù)。］直到 1970 年代，它只能通過(guò)采集血樣然后將其送到醫(yī)院的侵入性程序來(lái)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)室。從很多方面來(lái)看，這顯然是一個(gè)令人不快甚至有風(fēng)險(xiǎn)的場(chǎng)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(guò)皮膚和血管在兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光學(xué)衰減讀數(shù)，可以準(zhǔn)確、連續(xù)和實(shí)時(shí)地確定 SpO2 水平。
為什么要考慮參考設(shè)計(jì)？
如果一個(gè)有效的脈搏血氧飽和度系統(tǒng)只需要幾個(gè) LED、光電傳感器和 IC，這似乎是一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和故事的結(jié)尾。然而，現(xiàn)實(shí)要復(fù)雜得多，在大多數(shù)現(xiàn)實(shí)世界的測(cè)試和測(cè)量情況下幾乎總是如此，尤其是在醫(yī)療應(yīng)用中。
這就是 Maxim 開(kāi)發(fā)MAXREFDES117#參考設(shè)計(jì)的原因，這是一款低功耗、光學(xué)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(zhǔn)確檢測(cè)心率。它包括一個(gè)心率/SpO2 傳感器 （MAX30102）、一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器 （MAX1921）和一個(gè)精確的電平轉(zhuǎn)換器 （MAX14595）。

圖 1. 使用 MAXREFDES117# 參考設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員可以測(cè)試他們的想法并將其集成到更大的醫(yī)療設(shè)備中。

MAXREFDES117# 參考設(shè)計(jì)解決了哪些心率檢測(cè)挑戰(zhàn)？首先，基本傳感器數(shù)據(jù)被噪聲（例如微小的用戶(hù)移動(dòng)）以及其他異常破壞。此外，透光率與被測(cè)量的兩個(gè)參數(shù)（尤其是 SpO2）之間的關(guān)系不是簡(jiǎn)單的表格查找或數(shù)據(jù)與最終答案之間的曲線(xiàn)擬合。相反，它相當(dāng)復(fù)雜，需要校準(zhǔn)、補(bǔ)償和確定一些方程常數(shù)，以及允許組件變化、溫度系數(shù)和其他因素。甚至測(cè)試和驗(yàn)證結(jié)果也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
但緊湊、完整的硬件只是所需設(shè)計(jì)的一部分。該模塊可與 Arduino 和 ARM? mbed? 平臺(tái)一起使用，以實(shí)現(xiàn)快速測(cè)試、開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)集成。它還在示例固件中包含一個(gè)基本的開(kāi)源心率和 SpO2 算法。
包含用戶(hù)可以根據(jù)需要修改和改進(jìn)的心率算法是參考設(shè)計(jì)故事的主要部分。在 AACN 重癥監(jiān)護(hù)程序手冊(cè)中，Sandra L. Schutz 詳細(xì)說(shuō)明了為什么從原始傳感器讀數(shù)到有意義、準(zhǔn)確的讀數(shù)的路徑是復(fù)雜而微妙的。這取決于應(yīng)用場(chǎng)景（例如 sedate v. active），這就是為什么算法本身可能需要 OEM 進(jìn)行微調(diào)的原因；為運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)員設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在外形、用戶(hù)界面甚至算法細(xì)節(jié)上都不同于專(zhuān)為靜止對(duì)象設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。這些場(chǎng)景屬于運(yùn)動(dòng)拒絕的類(lèi)別。誠(chéng)然，MAXREFDES117# 沒(méi)有加速度計(jì)，也沒(méi)有后續(xù)的運(yùn)動(dòng)抑制。
要使參考設(shè)計(jì)運(yùn)行，用戶(hù)必須做一件簡(jiǎn)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(gè)位數(shù) mA 范圍內(nèi)。BOM、原理圖、布局文件和 Gerber 文件都可以從Maxim 網(wǎng)站的設(shè)計(jì)資源選項(xiàng)卡中獲得。如果這還不夠，參考設(shè)計(jì)的電路板甚至可以從 Maxim 購(gòu)買(mǎi)。
Maxim 參考設(shè)計(jì)非常完整，用戶(hù)可以將其按原樣打包到最終產(chǎn)品中，從而避免“重新發(fā)明輪子”（可以這么說(shuō)）用于光電容積脈搏圖 （PPG） 的基本現(xiàn)成設(shè)計(jì)-基于光學(xué)的心率/SpO2 傳感器?；蛘撸麄兛梢詫⑵溆米鞔笮歪t(yī)療設(shè)備的一部分，同時(shí)檢測(cè)、測(cè)量和監(jiān)控多個(gè)健康和活動(dòng)參數(shù)。

（作者：David Andeen）