新心率监测器

当 Fitbit 首次作为医疗保健可穿戴设备出现时，它配备了加速计、压力传感器、心率监测器和其他设备，用于检测每天的步数和工作量水平，并收集睡眠期间活动量的数据。但测量活动水平尚不具备足够的医学意义，至今尚未被认定为医疗器械。

随着 LED 和光接收二极管用于根据心率测量血流量，这种情况正在发生变化^*3引起的反射光强度的时间变化。对应于心电图。近一两年来，使用LED的脉冲波PPG（光伏脉冲）引起了人们的关注。

我在本系列中曾短暂提及过此 PPG。首先，心脏每分钟将血液泵送到全身约 60 次，医疗设备通过测量光学反射率来测量这种流量。由于血液流经的动脉中的血红蛋白很容易吸收绿光，因此通过接收绿色 LED 的反射光并观察强度随时间的变化来计算心率。反射光被光电二极管转换成电流。当血液被强力泵出心脏时，反射光达到峰值，随着血流减慢，反射光也会减少。如果我们观察该电子电路中电流的时间变化，我们可以看到它的变化周期几乎与从心电图获得的数据相同（图2）。

【图2】蓝线为心电图曲线，红线为PPG测量曲线
来源：德州仪器

实际上，在这样的光学系统中，光从皮肤表面进入，可以从反射光中测量血管中红细胞吸收的光。当心跳发生时，接收到的光量会随着血量的变化而波动。在有大量动脉血流过的手指或耳垂上进行测量时，请使用红色或红外光源，因为这样可以提供最高的准确度。然而，由于手腕上方几乎没有动脉，因此手表使用绿光来监测皮肤表面下方的静脉和毛细血管，以检测脉动成分。

AFE 是一项差异化技术

这些新型心率监测器的关键是接收传感器信号的模拟前端 (AFE) IC。对模拟信号进行一定程度的校正后，进行A-D转换，数字信号通常被发送到CPU（例如主机微控制器），在那里对信号进行处理。 Analog Devices, Inc (ADI) 提出了一种包含红色和绿色 LED 的电路，作为包含 LED 的 AFE 光学模块电路（图 3）。

[图 3] 带集成电路的 AFE，可消除环境光的影响
来源：ADI 公司

AFE 集成了一个消除环境光的电路。该电路对于戴在手腕上的手表类设备至关重要。使用 PPG 方法测量脉搏波时，LED 和接收二极管放置在表盘背面。当手表和手腕之间有间隙时，环境光会进入并在接收到的光中表现为噪声，因此需要一个电路来滤除环境光。此外，运动时，LED 的反射光会变得模糊，这可能会导致较大的误差。此外，还存在身体运动的频率分量可能被错误地测量为心跳的风险。因此，如果它在移动，则需要一个过程来补偿该移动。当然，如果人体与手表近距离接触，运动的影响就会更小。

此 AFE 电路消除环境光，然后再次放大以将模拟信号转换为数字信号。图3分辨率为14位^*3的信号转换为数字信号，然后输入到数字接口电路的模型。这里，SPI（串行外设接口）和I2C（内部集成电路）用于向微控制器等控制电路发送信号。^*4并连接到微控制器。

该电路测量氧饱和度，因此可以配备红色二极管和红外二极管，或者根据传感器安装的位置，还可以配备红色 LED 和绿色 LED。它还配备了分配时隙的电路，以分时方式将这两个 LED 的测量数据作为数字数据查看。