消費者需要從智能手表、健康腕帶和其他電池供電的移動設(shè)備，獲取更精確的健身和心臟健康數(shù)據(jù)。為了滿足這些期望，開發(fā)人員不得不努力應(yīng)對復(fù)雜而又昂貴的多元件解決方案。雖然這些解決方案最終能夠提供高精確度，但為此付出的代價是更高的功耗、更大的占用空間、更長的開發(fā)時間。我們需要更簡單、更精巧的解決方案。
本文將介紹基于 Maxim Integrated 的高度集成模塊來構(gòu)建此類解決方案的途徑。首先，本文將簡要討論精確心臟功能監(jiān)測的相關(guān)難點。然后，本文將展示開發(fā)人員如何能夠使用該模塊，在活動期間執(zhí)行符合 FDA 認證的心率監(jiān)測，以及在靜息時執(zhí)行心電圖 (ECG) 測量。
心臟功能測量
醫(yī)療機構(gòu)通常依賴于 ECG（也稱為 EKG）來提供有關(guān)心臟健康的最詳細數(shù)據(jù)，這個過程中沒有侵入性治療。ECG 設(shè)備可捕捉心動周期內(nèi)的心肌去極化和復(fù)極化產(chǎn)生的波形（圖 1）。這個過程需要在人體周圍的重要位置放置 10 個電極。然后，它們組合形成 12 對或?qū)?lián)，設(shè)計成與在心臟組織體積上產(chǎn)生的不同波形圖軸對齊。
圖 1：雖然心電圖（ECG 或 EKG）提供更多細節(jié)，但更為簡單的光電容積描記圖 (PPG) 也可提供有用的信息，例如此處所示的心室早發(fā)性收縮 (PVC) 的發(fā)生。（圖片來源：維基百科）
例如，一個放置在患者腿部的電極可與另一個電極配對，以提供一個導(dǎo)聯(lián)，能夠采集心室去極化波形下降穿過心臟組織的詳細信息。醫(yī)療級 12 導(dǎo)聯(lián) ECG 設(shè)備使用這種方法，結(jié)合來自不同電極對的數(shù)據(jù)，沿著與心動周期的每個相位相關(guān)的最佳軸來測量波形。
相反，消費型健身器材執(zhí)行的 ECG 測量通常僅使用一個電極對，因而此類設(shè)備的心電圖被稱為單導(dǎo)聯(lián) ECG。雖然單導(dǎo)聯(lián) ECG 可能缺少心臟病醫(yī)師進行診斷所需的詳細信息，但它提供了有關(guān)心臟功能的足夠信息，以提醒醫(yī)療機構(gòu)可能需要使用 12 導(dǎo)聯(lián) ECG 進行準確診斷的病理。
在實踐中，由于測量很容易被用戶的劇烈運動破壞，因而健身器材中的單導(dǎo)聯(lián) ECG 測量尤其可能出現(xiàn)問題。任何肌肉運動都會產(chǎn)生肌肉纖維去極化的相應(yīng)電波形，這些波形穿過導(dǎo)電的組織塊傳播。大肌肉群的運動可能產(chǎn)生生物電位，很容易阻礙從更深埋的信號源（例如心肌）發(fā)出的信號。因此，要進行精確的 ECG 測量，就要求患者保持靜止，無論是躺在醫(yī)院里，還是在體育鍛煉期間。
事實上，嘗試對正在進行體育運動的用戶執(zhí)行單導(dǎo)聯(lián) ECG 測量，很可能會以失敗告終。出于這個原因，在體育運動過程中提供心率數(shù)據(jù)的個人健身器材通常依賴于光電容積描記圖 (PPG) 方法。
PPG 的最基本工作方式是使用光學(xué)傳感器，隨著每次血液脈動改變血管的容積，測量光反射（或吸收）的相對差。最早的消費型心率監(jiān)測儀使用這種基本方法，但現(xiàn)在的健身產(chǎn)品通常采用一種更加先進的 PPG，用于測量周邊血氧飽和度 (SpO2) 水平。這樣可讓用戶更深入了解他們對運動的生理反應(yīng)。
SpO2 測量充分利用在紅光和紅外線 LED 照射時充氧血和缺氧血展現(xiàn)的不同吸收光譜，發(fā)射光譜以兩種相應(yīng)的血紅蛋白狀態(tài)為中心（請參見“為健身器材添加心率監(jiān)測功能”）。雖然 SpO2 的重點是兩種狀態(tài)之間的比率，但可以通過測量光學(xué)信號的峰間周期時間，從相同的數(shù)據(jù)提取基本心率測量數(shù)據(jù)。消費型脈搏血氧計使用這種方法，提供更可靠的心率測量，而不受體育運動、用戶個體差異或其他因素的影響。
雖然基于光學(xué) PPG 的方法已經(jīng)在健身器材中使用多年，但單導(dǎo)聯(lián) ECG 技術(shù)近期已經(jīng)在蘋果手表等消費型產(chǎn)品中興起。在競爭壓力的驅(qū)動下，健身腕帶、智能手表和其他個人電子設(shè)備的制造商越來越需要在他們的產(chǎn)品中同時提供 PPG 和單導(dǎo)聯(lián) ECG 功能。
但對于開發(fā)人員而言，僅實現(xiàn)其中一種功能就帶來了很多困難。雙 LED PPG 設(shè)計要求我們能夠最好地驅(qū)動紅光和紅外線 LED、捕捉反射或吸收的光線、同步結(jié)果，最終計算心率和 SpO2。單導(dǎo)聯(lián) ECG 設(shè)計需要掌握有關(guān)構(gòu)建模擬信號路徑的廣泛專業(yè)知識，能夠處理與任何活動生物電位現(xiàn)象測量相關(guān)的噪聲信號。
也許最基本的問題是實現(xiàn)兩種類型設(shè)計和同步它們的結(jié)果所必需的電源要求、設(shè)計尺寸和零件數(shù)量，對于大多數(shù)電池供電的移動產(chǎn)品而言，這是一項非常困難的設(shè)計工作。為了解決這些問題，Maxim Integrated 的 MAX86150 生物傳感器模塊提供了幾乎直接置入的解決方案，可為任何功率受限的設(shè)計添加 PPG 和 ECG 功能。
生物傳感器模塊
MAX86150 模塊專門針對便攜式系統(tǒng)而設(shè)計，將雙 LED PPG 和 ECG 的子系統(tǒng)組合在單個器件中，外形尺寸為 3.3 x 6.6 x 1.3 mm。對于光學(xué)測量，MAX86150 將完整的輸入/輸出光信號路徑與紅光 LED、紅外線 LED 和光電二極管組合在一起，它們位于封裝中內(nèi)置的玻璃蓋后面（圖 2）。
圖 2：MAX86150 PPG 子系統(tǒng)將所有必需元器件集成在一起，包括 LED 輸出和光電二極管輸入的信號路徑，從而提供基于光學(xué)技術(shù)的健身測量。此外，紅光 LED、紅外線 LED 和光電二極管器件位于玻璃蓋后面。（圖片來源：Maxim Integrated）
在 PPG 信號路徑方面，該模塊集成了環(huán)境光消除(ALC) 電路、19 位連續(xù)時間過采樣三角積分 (ΔΣ) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 以及離散時間濾波器（進一步消除噪聲）。在 ALC 內(nèi)部，數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 通過消除環(huán)境光，幫助提高輸入動態(tài)范圍。為了幫助開發(fā)人員平衡功耗和性能，該器件的集成式 LED 驅(qū)動器可以進行編程，提供從 0 毫安 (mA) 到 100 毫安的電流，電流脈沖寬度在 50 微秒 (μs) 到 400 微秒范圍內(nèi)。
為了進一步節(jié)省電能，開發(fā)人員可以實現(xiàn)接近感應(yīng)功能，讓該器件在測量之間保持在低功耗狀態(tài)下。在這種狀態(tài)下，器件在開發(fā)人員編程設(shè)定的最低功耗水平下驅(qū)動紅外線 LED。當(dāng)光電二極管檢測到有用的信號時（表示靠近用戶的手指或其他皮膚表面），將會生成中斷，器件返回到正常工作狀態(tài)，繼續(xù)進行采樣。
為了進行 ECG 測量，MAX86150 集成了一個完整的差分信號路徑，僅需兩個干電極和其他幾個元器件，即可實現(xiàn)單導(dǎo)聯(lián) ECG（圖 3）。與任何小信號應(yīng)用相同，環(huán)境中存在的任何數(shù)量的噪聲源，都會持續(xù)向測量精度提出挑戰(zhàn)。在健身應(yīng)用中，相關(guān)心臟波形不僅受到與肌肉運動和其他生理過程相關(guān)的生物電位的影響，通常還受制于來自外部射頻源、線路頻率和電氣噪聲的干擾。
MAX86150 ECG 子系統(tǒng)通過用于抑制共模信號的復(fù)雜信號鏈，來處理 ECG 測量中的信號噪聲。
圖 3：除了 PPG 子系統(tǒng)之外，MAX86150 模塊還包括完整的單導(dǎo)聯(lián) ECG 子系統(tǒng)，僅需要一對干電極和少量其他元器件，即可為微控制器提供 ECG 測量數(shù)據(jù)。（圖片來源：Maxim Integrated）
該器件的集成式 ECG 模擬前端包括斬波放大器、濾波器和可編程增益放大器 (PGA)，其設(shè)計目的是最大程度提高心臟波形的信噪比。在該信號鏈之后，還有一個 18 位 ΔΣ ADC，可轉(zhuǎn)換每個樣本，并將所有結(jié)果推送到器件的共享 32 樣本 FIFO，因而無需主機微控制器進行持續(xù)數(shù)據(jù)輪詢。
為了進一步減少功耗和限制數(shù)據(jù)訪問要求，開發(fā)人員可以調(diào)節(jié) ECG 和 PPG 子系統(tǒng)的采樣率，ECG 的采樣率范圍是從最高 3200 樣本每秒 (sps) 到 200 sps，對于 PPG，最低采樣率可以達到 10 sps。但是，在需要同時進行 ECG 和 PPG/SpO2 采樣以及同步結(jié)果的高級應(yīng)用中，開發(fā)人員也可以使用該器件。如果開發(fā)人員需要應(yīng)用這種方法，使用兩個子系統(tǒng)的不同最小采樣率，則該器件只使用最新 PPG 樣本加載 FIFO，在該子系統(tǒng)的下一個采樣周期提供新的 PPG 數(shù)據(jù)。
設(shè)計實現(xiàn)
正如上文所述，由于 MAX86150 集成了 ECG 和 PPG 測量所需的核心功能，我們只需一對干電極以及少數(shù)用于解耦和緩沖的其他元器件，即可形成完整的 MAX86150 硬件接口。因此，開發(fā)人員可將微控制器與 MAX86150 以及少數(shù)外部元器件組合在一起，實現(xiàn)先進的生物電位測量系統(tǒng)（圖 4）。開發(fā)人員甚至能夠使用 Maxim Integrated 的 MAX86150EVSYS 評估系統(tǒng)，快速開始研究 ECG/PPG 應(yīng)用，從而跳過硬件設(shè)計步驟。
圖 4：開發(fā)人員能夠?qū)?Maxim Integrated 的 MAX86150 和主機微控制器以及少數(shù)其他元器件組合在一起，在移動健身產(chǎn)品中實現(xiàn)先進的心臟功能測量。（圖片來源：Maxim Integrated）
MAX86150EVSYS 評估系統(tǒng)可同時用作即時應(yīng)用平臺和參考設(shè)計，它包括 MAX86150 板、MAX32630FTHR 板和 500 毫安小時 (mAh) 鋰聚合物電池（圖 5）。與 MAX86150 相同，MAX86150 板提供兩個不銹鋼干電極，以及上文提及的其他元器件。
MAX32630FTHR 板通過針座連接，它提供了支持藍牙的完整系統(tǒng)，基于 Maxim Integrated 的 MAX32630 微控制器構(gòu)建，還可為附帶的電池組進行充電和電源管理。
圖 5：Maxim Integrated 的 MAX86150EVSYS 評估系統(tǒng)提供帶有干電極的 MAX86150 板（左側(cè)）、基于 MAX32630 的 MAX32630FTHR 開發(fā)板和電池組，以便開發(fā)人員能夠快速開始評估心臟測量方法。（圖片來源：Maxim Integrated）
這個開箱即用的評估系統(tǒng)帶有 MAX32630FTHR 板，已預(yù)裝基礎(chǔ) MAX86150 應(yīng)用的固件，讓開發(fā)人員能夠即時開始探索 ECG 和 PPG 測量。開發(fā)人員只需通過藍牙將板組連接至 Windows PC 系統(tǒng)，并針對 MAX86150EVSYS 套件啟動 Maxim Integrated 基于 Windows 的圖形用戶界面cription.html/swpart=SFW0008770B" target="_blank">評估套件軟件。該 GUI 軟件包顯示來自 MAX86150 的 ECG 和 PPG 數(shù)據(jù)，讓開發(fā)人員能夠輕松地修改器件設(shè)置，以檢測對性能的影響（圖 6）。
圖 6：該公司的相關(guān)軟件應(yīng)用程序連接到 Maxim Integrated 的 MAX86150EVSYS 評估系統(tǒng)，讓開發(fā)人員能夠輕松地檢測 MAX86150 執(zhí)行的 ECG 和 PPG 測量。（圖片來源：Maxim Integrated）
對于準備構(gòu)建定制應(yīng)用程序的開發(fā)人員，Maxim Integrated 的 cription.html/swpart=SFW0008900A" target="_blank">MAX86150 驅(qū)動器軟件包提供了核心器件功能的源代碼。在各種功能中，該驅(qū)動器軟件包展示了：如何通過使用器件的 FIFO，減少主機處理器保持其活動狀態(tài)所需的時間，從而最大程度地降低功耗。這種方法的核心是，軟件要依賴于一對中斷處理程序來響應(yīng)器件事件，然后在數(shù)據(jù)樣本可用時采取行動。
這種中斷驅(qū)動的方法從初始化例程開始。這種方法會注冊一個器件中斷請求 (IRQ) 處理程序 max86xxx_irq_handler()。發(fā)生中斷事件時，此處理程序檢查可用的器件數(shù)據(jù)，如果需要，還會調(diào)用單獨的 FIFO 處理程序 (max86xxx_fifo_irq_handler())，并執(zhí)行重要的內(nèi)務(wù)處理功能，包括檢查器件芯片溫度和 VDD 水平（清單 1）。
復(fù)制 int max86xxx_irq_handler(void* cbdata) { struct max86xxx_dev *sd = max86xxx_get_device_data(); int ret; union int_status status; status.val[0] = MAX86XXX_REG_INT_STATUS1; ret = max86xxx_read_reg(status.val, 2); if (ret < 0) { printf("I2C Communication error.err: %d.%s:%d
", ret, __func__, __LINE__); return -EIO; } if (status.a_full || status.ppg_rdy || status.ecg_imp_rdy || status.prox_int) { max86xxx_fifo_irq_handler(sd); } if (status.die_temp_rdy) max86xxx_read_die_temp(sd); if (status.vdd_oor) { sd->vdd_oor_cnt++; printf("VDD Out of range cnt: %d
", sd->vdd_oor_cnt); } return 0; }清單 1：在 Maxim Integrated 的 MAX86150 驅(qū)動程序軟件包中，這個片段顯示了：器件 IRQ 處理程序如何通過僅在樣本可用或發(fā)生事件（例如接近中斷）時，調(diào)用單獨的 FIFO 處理程序，以最大程度地減少處理。（代碼來源：Maxim Integrated）
當(dāng)由 IRQ 處理程序調(diào)用時，F(xiàn)IFO 處理程序執(zhí)行所需的低級操作，以重新組合 86150 存儲在 FIFO 緩沖區(qū)中的傳感器讀數(shù)。此處，該處理程序遍歷 FIFO 緩沖區(qū)中的可用樣本，重新組合三個字節(jié)，這些字節(jié)用于存儲來自 ECG 通道的 18 位 ADC 和 PPG 通道的 19 位 ADC 的數(shù)據(jù)（清單 2）。
復(fù)制 void max86xxx_fifo_irq_handler(struct max86xxx_dev *sd) { ...num_samples = max86xxx_get_num_samples_in_fifo(sd); ...num_channel = max86xxx_get_fifo_settings(sd, &fd_settings); ...num_bytes = num_channel * num_samples * NUM_BYTES_PER_SAMPLE; fifo_buf[0] = MAX86XXX_REG_FIFO_DATA; ret = max86xxx_read_reg(fifo_buf, num_bytes); ...fifo_mode = max86xxx_get_sensor_mode(sd, fd_settings, num_channel); ...sensor = get_sensor_ptr(sd, fifo_mode); for (i = 0; i < num_samples; i++) { offset1 = i * NUM_BYTES_PER_SAMPLE * num_channel; offset2 = 0; for (j = 0; j < MAX_FIFO_SLOT_NUM; j++) { tmp_fd = (fd_settings >> (4 * j)) & 0x000F; if (tmp_fd) { index = offset1 + offset2; tmp = ((int)fifo_buf[index + 0] << 16) | ((int)fifo_buf[index + 1] << 8) | ((int)fifo_buf[index + 2]); samples[tmp_fd] = tmp; max86xxx_preprocess_data(&samples[tmp_fd], 1); offset2 += NUM_BYTES_PER_SAMPLE; } } ...sensor->report(sensor, samples); ...} if (sensor->update) sensor->update(sensor); return; ...清單 2：在 Maxim Integrated 的 MAX86150 驅(qū)動程序軟件包中，這個片段顯示了使用 FIFO 處理程序從 MAX86150 FIFO 中提取采樣數(shù)據(jù)，其中每個采樣以三字節(jié)格式存儲。（代碼來源：Maxim Integrated）
總結(jié)
除了基于 PPG 的心率測量之外，單導(dǎo)聯(lián) ECG 功能已逐漸成為智能手表、健身腕帶和其他移動設(shè)備的一種日益增長的需求。但事實證明，在此類可穿戴設(shè)備中實現(xiàn)實用、精確、低功耗的 PPG 和 ECG 功能非常困難。
Maxim Integrated 的 86150 生物電位傳感器模塊帶有集成的 PPG 和 ECG 子系統(tǒng)，可提供有效的解決方案。86150 模塊與 MCU 相結(jié)合，使開發(fā)人員能夠快速實現(xiàn)能夠提供心臟功能詳細數(shù)據(jù)的移動健康和健身產(chǎn)品。
