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以最少的零件数快速构建临床级有氧健身器

对能够从个人健康监测设备提供更全面的临床级数据的产品的需求在传感器数据采集,信号调节和处理方面提出了重大挑战。但是,开发人员现在已经可以为他们提供近在咫尺的硬件和软件解决方案,为快速实施能够进行各种先进生理测量的临床级产品提供灵活基础。
本文将介绍Maxim Integrated的一种解决方案,并讨论如何使用它来解决先进的健身和健康测量挑战。

健康监测和预测

非侵入性的健康和健康监测和预测能力已成为消费者和医疗领域不断增长的产品系列的关键要求。在创建这些功能时,开发人员依赖丰富的数据集合,这些数据代表通过多种经过验证的方法生成的不同生理过程。心率等基本数据提供了有关个体身体状况,从生理压力中恢复的能力以及其他结果的重要信息。
对动脉血氧饱和度,呼吸速率和心脏反应的深入了解不仅对诊断临床环境至关重要,而且对于体能训练以及在更广泛的健康情况下的延伸健康也至关重要。

测量方法

尽管它们在更主流的产品中已经有了新的应用,但用于测量这些特性的方法已经在急性观察和长期临床护理中使用了数十年。对于基本的心率测量,光学体积描记术利用与每次心跳通过皮肤血管的血液量增加或减少相关的光吸收或反射变化。脉搏血氧定量法估计周围氧饱和度(SpO 2)通过比较在氧化血红蛋白(氧合血红蛋白)和脱氧血红蛋白(脱氧血红蛋白)选择性的两个不同波长处的光吸收或反射。在约940纳米(nm)的红外(IR)波长处,氧合血红蛋白比脱氧血红蛋白吸收更多的光,脱氧血红蛋白在660nm左右的可见光波长处吸收比氧合血红蛋白更多的光。因此,比较每个波长的接收光提供了外周血管中的SpO 2。
对更详细和全面的健康数据越来越感兴趣,继续推动对更复杂测量的需求。其中,生物电势测量使用电压感测电极来跟踪与心脏动作相关的电压变化以生成心电图(ECG)或与其他肌肉纤维相关联以生成肌电图(EMG)。为了测量心脏健康,心电图(ECG)中P,QRS和T复合波的性质可以提供广泛的信息(图1)。
ECG图形提供了关于心脏健康的广泛信息
图1:心电图基于幅度,形状和波形时序提供关于心脏健康的广泛信息。(图片来源:FirstAidForFee.com)
至少,一个R波到下一个R波之间的时间(称为R到R测量)提供了心率的即时测量。经验丰富的临床医生可以通过检查每个波形的形状和幅度以及波形之间的时间差异来了解关于心脏健康和病理的详细信息。
也许不那么熟悉,生物阻抗测量利用与基础组织和器官变化相关的阻抗变化。例如,在呼吸期间,肺中空气量的变化转化为生物阻抗的变化,为测量呼吸率和相对幅度提供了简单但可靠的方法。健康专家正在应用各种应用中的生物阻抗测量,如血糖检测,肺炎检测,关节健康评估,甚至心脏衰竭预测。
开发人员如何构建能够进行这些测量的系统仍然是一个重大挑战。很少有开发团队拥有技术专业知识来创建可靠且安全地提取数据所需的专用匹配信号链。即使对于更有经验的生物工程师来说,创建自定义数据采集系统所需的时间也最好延迟实施提供更复杂的健康和健身监测产品所需的应用。
开发人员可以发现,即使看似简单的技术,如光学体积描记术和脉搏血氧仪,也会带来意想不到的挑战。从理论上讲,一个简单的心率监测仪应该只需要一个光源来进行基本的光学体积描记,而脉搏血氧仪只需要两个波长适合氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的光源。然而,实际上,不同波长的光在表皮和真皮层中达到不同的深度,并且对血液和间质液中的其他分子表现出不同的吸收或反射特性。因此,在两个波长处返回的光线可能会受到每个波长的穿透力的影响,因为每个波长都要测量的生理现象。
开发人员经常发现需要使用多个光源不仅可以减轻这些影响,还可以提供更加复杂的生命统计数据,如血压。结合这些具体问题,对低功耗和易用性的更一般要求给设计人员带来了一系列复杂的挑战。Maxim Integrated MAX86140专为提供满足光学体积描记术和脉搏血氧仪应用要求的嵌入式解决方案而设计。

光学传感解决方案

专为健身和健康应用而设计,MAX86140特别适合小型便携式应用,例如可穿戴设备。20引脚晶圆级封装尺寸仅为2.0 x 1.8毫米(mm),采用1.8 V主电源电压和3.1至5.5 V LED驱动器电源电压供电。以每秒4,096个采样(sps)的最大采样率,该器件的功耗约为660微安(μA),但开发人员可以降低采样率以降低功耗。例如,在25 sps时,器件仅消耗约8.5μA。
该器件提供多种功能,旨在降低功耗。对于需要256 sps或更低采样率的应用,开发人员可以将器件置于动态省电模式。在此模式下,器件在采样之间自动进入低功耗模式。无论采样率如何,开发人员还可以利用设备的光学接近功能在设备从用户身上移除时节省功耗。在这里,器件通过降低其采样速率到8 sps并进入动态功耗模式来响应降低的光输入电平。当光学输入超过设定的阈值,表明用户的皮肤非常接近时,设备以所需的采样率恢复正常操作。
除了省电功能之外,该器件还提供了一个完整的光学传感系统,结合了先进的光学接收器和LED驱动控制子系统,以提供光学测量。在接收端,MAX86140光学子系统包括光学测量所需的全部功能??椋ㄍ?)。这些??榘ɑ肪彻庀ˋLC),Σ-Δ模数转换器(ADC),电压基准,带专用ADC的温度传感器以及专有的离散时间滤波器以抑制50 Hz / 60 Hz干扰。
Maxim Integrated MAX86140接收器的示意图
图2:Maxim Integrated MAX86140接收器集成了一个完整的信号链和专门的???,用于优化环境光和噪声源下的光学传感。(图片来源:Maxim Integrated)
ALC的特点包括消除环境光的专有机制,即使在明亮的环境下也能提供准确的结果。该设备甚至可以适应在用户从黑暗的房间转到阳光和背面时可能发生的光线瞬间陡变。该设备的“栅栏”功能使其能够取代表现出与标准偏差很大的单个样品,并通过推断样品历史记录来创建一个值。
在发送器端,MAX86140集成了三个可编程LED驱动器,可配置为共驱动六个LED。每个LED驱动器通道由单独的LED驱动器电源供电,包含一个数模转换器(DAC)和一个电流源,可直接从MAX86140的LEDx_DRV输出引脚驱动LED。为了平衡所需的精度和功耗,开发人员可以将每个LED通道的脉冲宽度从14.8微秒(μs)设置为117.3微秒,并将特定电流输出电平设置在31 mA至124 mA的四个不同范围内(图3)。
Maxim MAX86140 LED电流输出电平的图像
图3:通过将LEDx_RGE [1:0]设置为所需的满量程范围,并将LEDx_PA [7:0]设置为特定的电流输出,开发人员可以对每个MAX86140 LED电流输出电平进行微调。(图片来源:Maxim Integrated)
为了执行采样序列,开发人员可以对MAX86140的集成光学控制器进行编程,以同时或顺序驱动其三个LED驱动器通道中的一个或多个(图4)。对于心率监测中的光学体积描记测量,开发人员通?;嵬鼻疞ED以最大化光学回报。对于脉搏血氧仪,他们将依次驱动单独的红外和红色LED,以测量确定SpO 2所需的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的比例??⑷嗽被箍梢耘渲每刂破髟诿扛鯨ED驱动序列后测量环境光线,以补偿干扰环境光源。
Maxim Integrated MAX86140的图像同时驱动单独的LED
图4:开发人员可以对Maxim Integrated MAX86140进行编程,以同时驱动单独的LED(A)进行心率测量,或者依次(B)进行脉搏血氧测量,使用单独的环境测量来补偿干扰光源。(图片来源:Maxim Integrated)
除了多个配置和控制寄存器外,该器件还提供一个128字的FIFO和指向要读取或写入的下一个字的指针。采样时,FIFO按顺序存储每个采样,使用包含19位数据值和5位标记的字来标识数据的性质。如果使用多个LED,则FIFO数据将每个LED采样(和识别标签)存储在单个采样事件的顺序FIFO位置中。要读取样本,开发人员只需访问地址0x07处的FIFO数据计数器即可找到FIFO中可用的样本数量,然后在0x05处访问FIFO读取指针以读取该样本数量。这种简单的方法允许开发人员使用相应简单的软件例程快速高效地提取数据(清单1)。
void device_data_read(void) {
    uint8_t sampleCnt;
    uint8_t regVal;
    uint8_t dataBuf[128*2*3];
 
    int led1[32];
    int led2[32];
 
    ReadReg(0x07, &sampleCnt);    //128 FIFO samples, 2 channel, 3 byte/channel
 
    //Read FIFO
    ReadFifo(dataBuf, sampleCnt * 3);
    int i = 0;
    for ( i = 0; i < sampleCnt; i++ ) {
        led1[i] = ((dataBuf[i*6+0] << 16 ) | (dataBuf[i*6+1] << 8) | (dataBuf[i*6+2])) & 0x7ffff;
        led2[i] = ((dataBuf[i*6+3] << 16 ) | (dataBuf[i*6+4] << 8) | (dataBuf[i*6+5])) & 0x7ffff;
} }
清单1:正如这个伪代码所示,开发人员只需要几个操作即可从Maxim Integrated MAX86140的片上FIFO中读取可用样本。(列表来源:Maxim Integrated)
与典型的事件驱动系统不同,MAX86140 FIFO数据不包含明确的时间戳。相反,FIFO以指定的采样率填充,使开发人员可以轻松地重新创建与样本关联的事件时间戳。不过,需要将设备测量值与其他测量值同步的开发人员可以对器件进行编程,以便在FIFO中定期添加时间戳。该器件本身包含专用端口(GPIO1和GPIO2),可用于控制其他器件。然而,在典型的基于MCU的应用中,该设备需要很少的连接或附加组件来实现光学传感(图5)。除了与主机处理器的串行连接外,开发人员还增加了一个光电二极管,例如Vishay Semiconductor VEMD5010X01 以及一个或多个波长适合特定应用的LED。
Maxim Integrated MAX86140图
图5:由于Maxim Integrated MAX86140集成了完整的光学传感解决方案,因此开发人员只需要一些附加组件即可实现心率和脉搏血氧饱和度设计。(图片来源:Maxim Integrated)
为帮助开发人员构建自己的基于MAX86140的设计,Maxim Integrated提供MAX86140EVSYS评估套件和相关的Windows®程序。MAX86140EVSYS为快速开发和评估提供了一个全面的开发平台,提供了图5所示设计的原理图和硬件实现。与完全实现的基于MAX86140的光学传感系统一起,评估套件包括一个主数据采集板, Maxim Integrated MAX32620基于 32位ARM®Cortex®-M4F的MCU。
为帮助开发人员评估设备的大量配置和操作选项的运行情况,Windows程序为开发人员提供了一个简单的工具,用于更改选项并观察结果(图6)。确认最佳工作配置后,开发人员只需将相同的值应用于其自己的代码即可在自己的设计中使用MAX86140。
Maxim Integrated Windows软件程序图片(点击放大)
图6:开发人员可以使用Maxim Integrated Windows软件程序测试特定的器件设置,并评估这些设置对器件性能和光学测量结果的影响。(图片来源:Maxim Integrated)

详细的健康数据

尽管MAX86140能够提供丰富的光学传感功能,但开发人员需要转向生物电势和生物阻抗方法,以提供前面提到的ECG,呼吸数据和其他参数。过去,开发者面临着与健康和健身应用中的电信号采集相关的各种挑战。低电压生物信号的组合以及与生理过程相关的阻抗的细微变化需要建立信号链的高度专业知识,以便能够提取有用的数据。Maxim Integrated MAX30001提供了一个大大简化的解决方案,可以满足与这些测量方法相关的各种要求。
对于ECG等生物电势测量,MAX30001提供专用通道,为可靠的信号采集,调节和转换提供优化的信号链(图7)。结合单独的PACE通道检测起搏器活动,ECG通道可以提供完整的ECG波形,R-to-R心率数据和起搏器事件检测。
Maxim Integrated MAX30001示意图(点击放大)
图7:Maxim Integrated MAX30001集成了专用通道,用于测量生物电势信号,用于生成典型ECG中显示的波形。(图片来源:Maxim Integrated)
尽管ECG信号链本身很复杂,但开发人员仍然面临一些确保与用户安全可靠连接的要求。MAX30001通过多级输入子系统专门解决关键的操作问题,实现重要功能,如导通和导通检查,极性设置,偏置和ESD?;ぃㄍ?)。
专用电路图提供了关键的?;?,检测和校准功能(点击放大)
图8:在生物电位通道的输入端,一组专用电路提供了安全可靠运行所必需的关键?;?,检测和校准功能。(图片来源:Maxim Integrated)
在这里,集成的功能(如输入开关)将用户与内部信号路径隔离开来,?;び没Ш兔舾心诓康缏访馐芊胖眯卮ɡ绨糜谏锏缡菩藕挪杉耐獠康缂┦笨赡芊⑸乃脖涞挠跋?。此外,输入系统还提供校准电压,作为器件广泛的自我测试功能的一部分。
除了信号采集,调节和转换的类似要求外,生物阻抗测量还需要生成检测生物阻抗变化所需的小电流。MAX30001采用独立的专用生物阻抗通道,将输入信号链与电流发生器相结合(图9),满足这些要求。内置的可编程电流发生器产生一个方波电流,通过引脚DRVP和DRVN施加到用户身体,用于通过引脚BIP和BIN检测生物阻抗。
Maxim Integrated MAX30001生物阻抗通道图(点击放大)
图9:Maxim Integrated MAX30001生物阻抗通道与专用输入级和信号链一起,包含一个可编程电流发生器,用于测量生物阻抗的变化。(图片来源:Maxim Integrated)
在输入端,开发人员只需添加一些无源器件即可将器件连接到两个或四个物理电极上进行生物电势和生物阻抗测量(图10)??⑷嗽笨梢酝ü褂肕axim Integrated MAX30034等器件进一步减少器件数量,以实现可?。ǖ萍觯┑某;?。
Maxim Integrated MAX30001四个电极输入配置的图像
图10:开发人员可以轻松实现四种电极输入配置,能够支持使用Maxim Integrated MAX30001同时进行的生物电势和生物阻抗测量。(图片来源:Maxim Integrated)
专为吸收除颤过程中产生的重复性高能脉冲而设计,MAX30034可快速钳位其端子上的电压,当正或负电压电平超过其触发电压时,MAX30034会从10 10Ω 以上迅速下降至小于1Ω。
MAX30001以与MAX86140几乎相同的方式将采样存储在循环FIFO缓冲区中。顺序采样被放置在顺序的FIFO位置,不需要单独的时间戳数据,同时允许开发人员重新构建时基。MAX30001确实为生物电位和生物阻抗采样提供了单独的FIFO,并且还为R至R心率数据提供单输出寄存器。和MAX86140一样,MAX30001用数据值和相关标签填充每个FIFO位置,提供每个采样的状态信息。
基于MAX30001的监控系统的实现需要图10所示的输入?;ね缰獾钠渌榧?。Maxim Integrated通过其MAX30001EVSYS评估系统演示了器件的基本配置,其中包括MAX30001评估板和MAX32630FTHR板基于Maxim Integrated MAX32630Arm®Cortex® -M4F的MCU。
通过提供生物电势,生物阻抗和步速检测所需的所有电路,MAX30001在很大程度上消除了与详细硬件设计相关的挑战。另一方面,开发人员可能会花时间尝试为设备的大量配置和操作选项找到最佳设置组合。
与MAX86140一样,Maxim Integrated为开发人员提供了一个Windows程序,该程序提供了直观的基于图形的配置方法。使用单独的选项卡,开发人员可以检查每个通道各个组件的单独设置的有效选项,应用所需的一组值,并立即查看显示使用这些设置生成的结果的图(图11)。在确定其应用的最佳设置后,开发人员可以简单地将这些设置值应用于MAX30001的初始化和操作。
Maxim Integrated MAX30001评估软件的图片
图11:Maxim Integrated MAX30001评估软件可让开发人员选择与特定器件通道对应的选项卡,为该通道的不同阶段设置操作参数,并在单独的选项卡中查看结果。(图片来源:Maxim Integrated)

结论

在开发下一代健康产品时,开发人员在执行满足对详细临床级生理数据的新兴需求所需的一系列测量方面面临着各种挑战。如图所示,Maxim Integrated公司的MAX86140和MAX30001提供近距离接入解决方案,能够使用公认的光学传感技术,生物电势和生物阻抗方法进行这些测量。
使用这些设备及其相关评估套件,开发人员可以快速设计和实施能够提供临床级健康信息的复杂产品。
(责任编辑:ioter)

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