简化脉率／血氧可穿戴设备的设计

作者：David Andeen

用于个人健康和保健的可穿戴设备是一个快速增长的市场。有腕带设备（以 Fitbit 和 Garmin 等为代表），但它们只是一个起点。人们还对用于监测心率和血氧 （SpO2） 水平的更先进的可穿戴设备产生了极大的兴趣，因为这些设备提供了对心脏功能和健康的重要洞察。为了获得最大的洞察力，这种监控需要 24/7（或几乎如此）在活动和休息状态下进行。

有趣的是，心率和血氧水平的测量呈现出两种截然不同的情况，但它们正在趋同。显然，心率是一个非侵入性的、易于测量的参数，至少在原则上是这样：您所需要的只是接触受试者的手腕、测量时间的手表，或许还有其他人来读取读数。然而，尽管这样做显然很容易，但它不能连续进行，尽管可以经常进行——但受试者必须处于坐姿（静止）模式。

血氧读数呈现出一个非常不同的故事。［氧饱和度是指血液中氧饱和血红蛋白相对于总血红蛋白（不饱和+饱和）的分数。］直到 1970 年代，它只能通过采集血样然后将其送到医院的侵入性程序来测量。实验室。从很多方面来看，这显然是一个令人不快甚至有风险的场景，并且显然限制了更新的频率（而且成本也很高）。然而，使用通过皮肤和血管在两个不同波长的光学衰减读数，可以准确、连续和实时地确定 SpO2 水平。

为什么要考虑参考设计？

如果一个有效的脉搏血氧饱和度系统只需要几个 LED、光电传感器和 IC，这似乎是一个相当简单的设计和故事的结尾。然而，现实要复杂得多，在大多数现实世界的测试和测量情况下几乎总是如此，尤其是在医疗应用中。

这就是 Maxim 开发MAXREFDES117#参考设计的原因，这是一款低功耗、光学心率模块，包括集成的红色和 IR LED 以及电源。这块小板（仅 0.5in × 0.5in/1.25cm × 1.25cm，图 1）可以放在手指或耳垂上以准确检测心率。它包括一个心率/SpO2 传感器 （MAX30102）、一个降压转换器 （MAX1921）和一个精确的电平转换器 （MAX14595）。

图 1. 使用 MAXREFDES117# 参考设计，设计人员可以测试他们的想法并将其集成到更大的医疗设备中。

MAXREFDES117# 参考设计解决了哪些心率检测挑战？首先，基本传感器数据被噪声（例如微小的用户移动）以及其他异常破坏。此外，透光率与被测量的两个参数（尤其是 SpO2）之间的关系不是简单的表格查找或数据与最终答案之间的曲线拟合。相反，它相当复杂，需要校准、补偿和确定一些方程常数，以及允许组件变化、温度系数和其他因素。甚至测试和验证结果也是一项挑战。

但紧凑、完整的硬件只是所需设计的一部分。该模块可与 Arduino 和 ARM® mbed™ 平台一起使用，以实现快速测试、开发和系统集成。它还在示例固件中包含一个基本的开源心率和 SpO2 算法。

包含用户可以根据需要修改和改进的心率算法是参考设计故事的主要部分。在 AACN 重症监护程序手册中，Sandra L. Schutz 详细说明了为什么从原始传感器读数到有意义、准确的读数的路径是复杂而微妙的。这取决于应用场景（例如 sedate v. active），这就是为什么算法本身可能需要 OEM 进行微调的原因；为运动中的运动员设计的产品在外形、用户界面甚至算法细节上都不同于专为静止对象设计的产品。这些场景属于运动拒绝的类别。诚然，MAXREFDES117# 没有加速度计，也没有后续的运动抑制。

要使参考设计运行，用户必须做一件简单的事情：只需添加 2V 至 5.5V 电源；功耗约为 5mW，电流需求在低个位数 mA 范围内。BOM、原理图、布局文件和 Gerber 文件都可以从Maxim 网站的设计资源选项卡中获得。如果这还不够，参考设计的电路板甚至可以从 Maxim 购买。

Maxim 参考设计非常完整，用户可以将其按原样打包到最终产品中，从而避免“重新发明轮子”（可以这么说）用于光电容积脉搏图 （PPG） 的基本现成设计-基于光学的心率/SpO2 传感器。或者，他们可以将其用作大型医疗设备的一部分，同时检测、测量和监控多个健康和活动参数。