心率數據可以提供有關個人身體狀況的寶貴信息。其用途范圍從個人健康監測到檢測心律失常等異常情況，再到醫院級患者的生命體征監測。今天的無線和可穿戴技術不僅可以非侵入性地收集復雜數據，還可以即時分析和顯示這些數據，并存儲以供以后分析。

這種技術為可穿戴設備開辟了新的健身和健康消費市場，如健身手環和胸帶運動監視器。在醫療領域，非侵入性心率監測用于識別諸如心臟血流量減少之類的問題，并評估心臟病發作和血栓形成等風險。即使在醫院病房，護士現在也可以使用簡單的手指握住心率監測儀和便攜式分析儀進行定期“觀察”，例如動脈血氧飽和度，呼吸速率和水合水平。

對非侵入性和/或可穿戴設備的需求正在上升，而要收集的數據的復雜性也在增加，這在數據采集、信號調理和處理方面增加了重大的技術挑戰。特別是對于醫療應用，測量必須可靠、準確和安全。

測量心率有兩種主要方法。第一種利用光學技術來檢測血液通過靠近皮膚的血管時光吸收或反射的變化。光學技術也可用于估計血液中的氧飽和度（脈搏血氧飽和度）。主要技術挑戰是低功耗、環境光抑制和環境噪聲消除。

第二種方法，生物電勢測量，使用電壓傳感電極來檢測心肌組織產生的電活動，其傳遞到皮膚。這些數據用于生成心電圖（ECG），被醫學專家廣泛用于確定心臟健康狀況。生物阻抗測量還可以確定呼吸速率和相對振幅。與這種方法相關的關鍵技術挑戰是低功耗操作，運動補償和對抗其他干擾，如噪聲。

光學脈搏血氧儀

幸運的是，對于開發人員來說，有許多專用的、特定于應用的用于心率監測器的光學數據采集系統。例如，Maxim Integrated的MAX86140經過優化，可檢測與手腕、手指、耳朵和其他位置接觸的監視器中的光學心率、血氧飽和度和肌肉血氧飽和度。

光學心率監測通常需要一個光源，而脈搏血氧儀需要兩個。為了獲得極高的精度并增加可能的測量范圍，通常使用多個光源。MAX86140和MAX86141分別提供單光通道和雙光通道。

在發射器側，可配置三個可編程高電流 LED 驅動器，以驅動多達 6 個 LED。當兩個器件在主從模式下工作時，LED 驅動器可驅動多達 12 個 LED。這些器件的一個關鍵特性是其堅固耐用的專有環境光消除（ALC）電路，對于確保明亮條件下的精度特別有用。此外，該系統可以應對光照水平的快速變化。

其他主要特性包括具有 19 位 Σ-Δ 型 ADC 的低噪聲信號調理模擬前端 （AFE）、基準電壓源和溫度傳感器。ADC輸出數據速率可在8至8192個樣本范圍內進行編程。這些設備需要最少的外部硬件。128字FIFO為數字輸出數據提供片上存儲，并能夠連接到微控制器。

兩款器件均采用 1.8V 主電源電壓工作，具有獨立的 3.1V 至 5V LED 驅動器電源，可提供許多節能功能。它們具有靈活的定時和關斷配置，以及單個塊的控制。這樣就可以在最低功率水平下優化測量。動態關斷模式可用于低于128 sps的較低采樣速率。接近模式功能可以在傳感器不與皮膚接觸時降低能耗。

光學控制器可以配置為各種測量。一個、兩個或三個 LED 驅動器可以按順序脈沖，根據脈搏血氧儀的要求，在多個波長下進行測量。當 LED 驅動器同時脈沖時，可以在腕式設備上進行心率測量。可以調節LED驅動電平以補償增加的噪聲電平，例如當存在高干擾環境信號時。

生物電勢心電圖測量

心電圖測量心率，并可以提供有關單個信號的詳細信息，為專業人員提供心臟檢查的更多詳細信息。它還允許在健身應用中進行更可靠的心率監測，特別是在使用胸帶時。與光學傳感器相比，生物電勢測量通常需要的功率要少得多，精度水平相同。但是，ECG信號的處理會迅速消耗電池電量。此外，ECG讀數對運動和其他干擾源高度敏感。因此，在健身應用中，運動補償尤為重要，運動也可能是噪聲的重要來源。

同樣，專用于特定應用的設備可用于此類應用。以Maxim集成版的MAX30003為例，它被描述為可穿戴應用的完整生物電勢模擬前端（AFE）解決方案。參見圖2。這款單通道器件具有臨床級ECG AFE，具有高分辨率ADC，可提供15.5位有效分辨率和5μV峰峰值噪聲。此外，它還具有 ESD 保護、EMI 濾波、內部引線偏置、DC 導聯脫落檢測和軟上電排序功能。高輸入阻抗確保在干啟動期間輸入端的信號衰減最小。

通過確保AFE的共模抑制比（CMRR）盡可能高來實現運動補償和消除運動偽像中的干擾。MAX30003具有CMRR特性，典型值為115dB。可選的引線偏置電阻器有助于改善 CMRR，并有助于實現高輸入阻抗。各種低通和高通濾波器選項可用于限制帶寬，這對于衰減靜電和高頻信號的噪聲非常重要。對于健身應用，單功率高通轉折頻率應設置為5Hz，而對于臨床應用，通常可以低至0.5Hz或0.05Hz。對于運動用途，共模低通角可以設置為34Hz，這是在干啟動期間限制衣服噪音的最佳水平。

1.1V電源電壓下85 μW的超低功耗可延長電池壽命。引出引出檢測功能在待機/深度睡眠模式 （70nA） 期間工作。32字FIFO可以包含多達32個ECG數據轉換結果，從而節省主機微控制器的活動，因為它保持睡眠時間更長，從而降低功耗。同樣，MCU也可以編程為不處理潛在的無效數據。用于R-R峰值間隔的內置算法可進一步節省功耗，因此MCU僅消耗約1μA，而MCU的功耗是MCU的50至100倍。

審核編輯：郭婷