【導(dǎo)讀】使用光電容積描記圖 (PPG) 或心電圖 (ECG) 測(cè)量生命體征背后的概念當(dāng)然很好理解?？梢酝ㄟ^測(cè)量外周血管血容量的變化或通過監(jiān)測(cè)心肌產(chǎn)生的生物電活動(dòng)來(lái)確定 ECG 的心率，從而找到 PPG 的心率。他們通過利用氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白吸收光譜的差異來(lái)了解估算血氧飽和度 (SpO2)的簡(jiǎn)單理論。工程師們也逐漸熟悉更復(fù)雜的測(cè)量功能，例如使用脈搏傳播時(shí)間 (PTT) 或脈搏到達(dá)時(shí)間 (PAT) 來(lái)構(gòu)建無(wú)袖帶血壓監(jiān)測(cè)儀。
如果您正在為可提供準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果的健康和健身可穿戴設(shè)備創(chuàng)建定制設(shè)計(jì)，您可能會(huì)非常熟悉這種現(xiàn)象以及墨菲定律。
使用光電容積描記圖 (PPG) 或心電圖 (ECG) 測(cè)量生命體征背后的概念當(dāng)然很好理解。可以通過測(cè)量外周血管血容量的變化或通過監(jiān)測(cè)心肌產(chǎn)生的生物電活動(dòng)來(lái)確定 ECG 的心率，從而找到 PPG 的心率。他們通過利用氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白吸收光譜的差異來(lái)了解估算血氧飽和度 (SpO2)的簡(jiǎn)單理論。工程師們也逐漸熟悉更復(fù)雜的測(cè)量功能，例如使用脈搏傳播時(shí)間 (PTT) 或脈搏到達(dá)時(shí)間 (PAT) 來(lái)構(gòu)建無(wú)袖帶血壓監(jiān)測(cè)儀。
這些不同的測(cè)量依賴于放大器和濾波器等信號(hào)鏈來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并傳送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 中，使用轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，微控制器 (MCU) 執(zhí)行算法來(lái)生成心率、SpO2、血壓等值。
獲取干凈的生物信號(hào)
開發(fā)人員可以利用大量低功耗、高精度器件來(lái)構(gòu)建定制信號(hào)鏈和處理子系統(tǒng)，以差異化健康及健身級(jí)產(chǎn)品。然而，在大多數(shù)情況下，專門的生物傳感器很難滿足生物傳感器信號(hào)鏈的需要。
ADI 公司的 MAX86140 和 MAX86141 等器件專為光學(xué) PPG 方法而設(shè)計(jì)。對(duì)于生物電位 ECG 測(cè)量，ADI 公司的 MAX30003、AD8232A 和 AD8233A可滿足所需信號(hào)鏈。ADI 公司的 ADPD4100 和 ADPD4101 可以支持這兩種類型的測(cè)量。這些多模式模擬前端 (AFE) 集成了一對(duì)多通道信號(hào)調(diào)節(jié)鏈，包括跨阻抗放大器 (TIA)、帶通濾波器 (BPF)、積分器和 ADC。
開發(fā)人員可以使用此 AFE 作為基于生物電的單導(dǎo)聯(lián) ECG 測(cè)量（圖 1，左）和基于光學(xué)的 PPG 測(cè)量（圖 1，右）的基礎(chǔ)，因?yàn)樗浅＿m合消費(fèi)類可穿戴設(shè)備。
圖 1：ADI 公司的 ADPD4100 和 ADPD4101 AFE 支持 PPG（左）和 ECG（右）測(cè)量。 （圖片來(lái)源：Analog Devices）
這些專門的生物傳感器有助于加快開發(fā)速度，但它們并不能使您免于處理生物系統(tǒng)時(shí)可能出現(xiàn)的所有問題。不可預(yù)測(cè)（但并非意外）的偽影，如瞬態(tài)環(huán)境源和皮膚不均勻性會(huì)影響 PPG，而電磁干擾 (EMI) 和骨骼肌收縮等一系列生理電信號(hào)源使 ECG 復(fù)雜化。 （正如我在論文研究期間發(fā)現(xiàn)的那樣，這些狀況對(duì)信噪比 (SNR) 的影響有時(shí)可能是非常惡劣的。我不得不推遲我的主要開發(fā)目標(biāo)，以構(gòu)建一種基于機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 的子系統(tǒng)來(lái)獲得干凈的生物信號(hào)。）
鑒于生物系統(tǒng)的性質(zhì)，即使完全理解 PPG、ECG、PAT/PTT 和其他生物物理學(xué)，開發(fā)人員也會(huì)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)健康或健身類可穿戴設(shè)備并不那么容易。如果他們只專注于他們的信號(hào)鏈和算法，開發(fā)人員很容易發(fā)現(xiàn)他們自己的工作將主要圍繞如何獲取并處理干凈的生物信號(hào)。
使用生物傳感器開發(fā)套件，開發(fā)人員可以快速構(gòu)建原型，開始探索不同光波長(zhǎng)、電極放置或優(yōu)化生物信號(hào)采集的許多其他開發(fā)工作（或只是為了讓它在第一時(shí)間工作）。
用于原型健康可穿戴設(shè)備的專用套件
ADI 公司的 EVAL-ADPD4100Z-PPG 評(píng)估套件和 MAXREFDES103# 健康傳感器等套件專為加速健康可穿戴設(shè)備的開發(fā)而設(shè)計(jì)。在開發(fā)過程中，EVAL-ADPD4100Z-PPG 使用該公司基于 EVAL-ADPDUCZ Cortex-M3 微控制器的主板進(jìn)行編程，該主板通過USB端口連接。
圖 2. Analog Devices 的 EVAL-ADPD4100Z-PPG 評(píng)估板
MAXREFDES103#套件將基于MAX86141生物傳感器的傳感器子系統(tǒng)與基于MAX32630 MCU的綜合主機(jī)子系統(tǒng)結(jié)合在一個(gè)預(yù)先構(gòu)建的套件中。除了用于顯示設(shè)備狀態(tài)的按鈕和LED 外，套件還提供 USB Type-C 連接器，用于連接提供的適配器板以進(jìn)行固件更新（圖 3）。
圖 3：MAXREFDES103# 健康參考設(shè)計(jì)包括用于研究現(xiàn)場(chǎng)生物傳感器應(yīng)用的可穿戴設(shè)備。 （圖片來(lái)源：Analog Devices）
更重要的是，每個(gè)套件都帶有一個(gè)用于分析測(cè)量數(shù)據(jù)的軟件包，使開發(fā)人員能夠研究在不同傳感配置下連續(xù)測(cè)量期間生成的波形，并檢查偽影的影響。ADI 公司的 Wavetool 評(píng)估軟件讓開發(fā)人員可以在不同的應(yīng)用模式下運(yùn)行 EVAL-ADPD4100Z-PPG，包括 SpO2 和 ECG 模式。
ADI 公司的 MAXREFDES103# 參考設(shè)計(jì)軟件包包括其 DeviceStudio 應(yīng)用程序，允許開發(fā)人員針對(duì)心率和 SpO2 配置生物傳感器和嵌入式算法。該公司的健康傳感器平臺(tái)也可用，這是一款 Android 應(yīng)用程序，可為睡眠質(zhì)量、呼吸率和心率變異性 (HRV) 提供額外算法。后一指標(biāo)作為一種監(jiān)測(cè)個(gè)人自主神經(jīng)系統(tǒng)變化的非侵入性方法，已引起醫(yī)學(xué)界的特別關(guān)注。
（來(lái)源：Digikey，作者：Stephen Evanczuk）
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