【導讀】使用光電容積描記圖 (PPG) 或心電圖 (ECG) 測量生命體征背后的概念當然很好理解。可以通過測量外周血管血容量的變化或通過監測心肌產生的生物電活動來確定 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了解估算血氧飽和度 (SpO2)的簡單理論。工程師們也逐漸熟悉更復雜的測量功能，例如使用脈搏傳播時間 (PTT) 或脈搏到達時間 (PAT) 來構建無袖帶血壓監測儀。
如果您正在為可提供準確測量結果的健康和健身可穿戴設備創建定制設計，您可能會非常熟悉這種現象以及墨菲定律。
使用光電容積描記圖 (PPG) 或心電圖 (ECG) 測量生命體征背后的概念當然很好理解。可以通過測量外周血管血容量的變化或通過監測心肌產生的生物電活動來確定 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了解估算血氧飽和度 (SpO2)的簡單理論。工程師們也逐漸熟悉更復雜的測量功能，例如使用脈搏傳播時間 (PTT) 或脈搏到達時間 (PAT) 來構建無袖帶血壓監測儀。
這些不同的測量依賴于放大器和濾波器等信號鏈來進行調節，并傳送到模數轉換器 (ADC) 中，使用轉換后的數據，微控制器 (MCU) 執行算法來生成心率、SpO2、血壓等值。
獲取干凈的生物信號
開發人員可以利用大量低功耗、高精度器件來構建定制信號鏈和處理子系統，以差異化健康及健身級產品。然而，在大多數情況下，專門的生物傳感器很難滿足生物傳感器信號鏈的需要。
ADI 公司的 MAX86140 和 MAX86141 等器件專為光學 PPG 方法而設計。對于生物電位 ECG 測量，ADI 公司的 MAX30003、AD8232A 和 AD8233A可滿足所需信號鏈。ADI 公司的 ADPD4100 和 ADPD4101 可以支持這兩種類型的測量。這些多模式模擬前端 (AFE) 集成了一對多通道信號調節鏈，包括跨阻抗放大器 (TIA)、帶通濾波器 (BPF)、積分器和 ADC。
開發人員可以使用此 AFE 作為基于生物電的單導聯 ECG 測量（圖 1，左）和基于光學的 PPG 測量（圖 1，右）的基礎，因為它非常適合消費類可穿戴設備。
圖 1：ADI 公司的 ADPD4100 和 ADPD4101 AFE 支持 PPG（左）和 ECG（右）測量。 （圖片來源：Analog Devices）
這些專門的生物傳感器有助于加快開發速度，但它們并不能使您免于處理生物系統時可能出現的所有問題。不可預測（但并非意外）的偽影，如瞬態環境源和皮膚不均勻性會影響 PPG，而電磁干擾 (EMI) 和骨骼肌收縮等一系列生理電信號源使 ECG 復雜化。 （正如我在論文研究期間發現的那樣，這些狀況對信噪比 (SNR) 的影響有時可能是非常惡劣的。我不得不推遲我的主要開發目標，以構建一種基于機器學習 (ML) 的子系統來獲得干凈的生物信號。）
鑒于生物系統的性質，即使完全理解 PPG、ECG、PAT/PTT 和其他生物物理學，開發人員也會發現設計健康或健身類可穿戴設備并不那么容易。如果他們只專注于他們的信號鏈和算法，開發人員很容易發現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。
使用生物傳感器開發套件，開發人員可以快速構建原型，開始探索不同光波長、電極放置或優化生物信號采集的許多其他開發工作（或只是為了讓它在第一時間工作）。
用于原型健康可穿戴設備的專用套件
ADI 公司的 EVAL-ADPD4100Z-PPG 評估套件和 MAXREFDES103# 健康傳感器等套件專為加速健康可穿戴設備的開發而設計。在開發過程中，EVAL-ADPD4100Z-PPG 使用該公司基于 EVAL-ADPDUCZ Cortex-M3 微控制器的主板進行編程，該主板通過USB端口連接。
圖 2. Analog Devices 的 EVAL-ADPD4100Z-PPG 評估板
MAXREFDES103#套件將基于MAX86141生物傳感器的傳感器子系統與基于MAX32630 MCU的綜合主機子系統結合在一個預先構建的套件中。除了用于顯示設備狀態的按鈕和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行固件更新（圖 3）。
圖 3：MAXREFDES103# 健康參考設計包括用于研究現場生物傳感器應用的可穿戴設備。 （圖片來源：Analog Devices）
更重要的是，每個套件都帶有一個用于分析測量數據的軟件包，使開發人員能夠研究在不同傳感配置下連續測量期間生成的波形，并檢查偽影的影響。ADI 公司的 Wavetool 評估軟件讓開發人員可以在不同的應用模式下運行 EVAL-ADPD4100Z-PPG，包括 SpO2 和 ECG 模式。
ADI 公司的 MAXREFDES103# 參考設計軟件包包括其 DeviceStudio 應用程序，允許開發人員針對心率和 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也可用，這是一款 Android 應用程序，可為睡眠質量、呼吸率和心率變異性 (HRV) 提供額外算法。后一指標作為一種監測個人自主神經系統變化的非侵入性方法，已引起醫學界的特別關注。
（來源：Digikey，作者：Stephen Evanczuk）
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