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一種用于心率監(jiān)測儀和外周毛細(xì)血管氧飽和度測量的流行光學(xué)技術(shù)

德州儀器 ? 來源:lp ? 2019-04-01 10:10 ? 次閱讀
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光電容積脈搏波描記術(shù)(PPG)是一種用于心率監(jiān)測儀(HRM)和外周毛細(xì)血管氧飽和度(SpO2)測量的流行光學(xué)技術(shù)。它簡易方便,因?yàn)橹恍鑼?a target="_blank">LED和光電探測器(PD)連接到身體上即可。

PPG的基本理論基于人體組織的光吸收變化,這與氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的相對濃度的變化相關(guān)。由心臟收縮和舒張引起的血容量變化可用于估計(jì)動(dòng)脈血氧飽和度。

PPG信號易受運(yùn)動(dòng)偽影的影響,這取決于光源的波長。光吸收以及因此進(jìn)入組織的穿透深度取決于波長。紅外和近紅外(NIR)等較長波長的吸收相對較低,可實(shí)現(xiàn)更深入的組織穿透。諸如綠色和藍(lán)色等波長較短的光被黑色素強(qiáng)烈吸收;因此,進(jìn)入組織的穿透深度相對較淺。因此,紅色和近紅外光PPG受制于偽影,而綠色和藍(lán)色光PPG相對沒有偽影。

圖1所示為波長為400至1,000 nm的光信號的皮膚穿透深度。

圖1:顯示一系列不同波長光源的光學(xué)穿透深度(δ)

在多路復(fù)用配置中使用多個(gè)LED和PD可實(shí)現(xiàn)多波長測量和監(jiān)測。每個(gè)二極管和檢測器可支持不同波長,也可以多路復(fù)用的方式(在不同的采樣階段)使用,以監(jiān)控不同的參數(shù)。

采用Bluetooth?5的多波長光學(xué)HRM和SpO2監(jiān)控參考設(shè)計(jì)采用AFE4420單芯片生物傳感前端,同時(shí)支持四個(gè)LED和四路時(shí)分多路復(fù)用光電探測器輸入。它集成了靈活的LED驅(qū)動(dòng)器和光電探測器的完整接收器鏈。

信號采集最多可在16相完成,且每相都可靈活分配LED和PD(參見圖2)。

它與CC2640R2FSimpleLink?藍(lán)牙低功耗無線微控制器MCU通信,后者通過串行外設(shè)接口I2C集成了Arm?Cortex?-M3和2.4-GHz射頻RF收發(fā)器。該設(shè)計(jì)支持使用聯(lián)合測試行為組織連接捕獲有線數(shù)據(jù),并通過Bluetooth 5將其發(fā)送捕獲無線數(shù)據(jù)。

圖2: 多波長光學(xué)HRM和SpO2監(jiān)控參考設(shè)計(jì)框圖

該設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)包括:

用于計(jì)算心率、SpO2和其它相關(guān)參數(shù)的原始PPG數(shù)據(jù)。AFE4420在市場上具有獨(dú)特的集成度、低功耗和尺寸,并提供超低功耗模式的靈活性和集成的先進(jìn)先出功能,可使MCU保持睡眠模式,以延長電池壽命。

使用CC2640R2F實(shí)現(xiàn)無線連接。CC264R2F集成Arm Cortex-M3和2.4-GHz RF收發(fā)器支持Bluetooth 4.2和5.0配置文件,也可用作主機(jī)處理器。內(nèi)部DC/DC換器有助于提高整體系統(tǒng)效率并延長電池壽命。內(nèi)置的低電池檢測算法有助于減少可穿戴應(yīng)用中的外部組件。

使用紐扣電池進(jìn)行低功耗操作。該設(shè)計(jì)采用單個(gè)3-V、500 mA Cr3032紐扣電池,經(jīng)測試可連續(xù)運(yùn)行100小時(shí);若不間斷傳送,則電池壽命為30天。

該參考設(shè)計(jì)專為醫(yī)療、個(gè)人健康護(hù)理和健身應(yīng)用而設(shè)計(jì),并附有設(shè)計(jì)指南、原理圖、布局圖和物料清單文件,可助您快速評估和加速產(chǎn)品開發(fā)。它有助于實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄功能,并支持針對不同配置的優(yōu)化。

您在HRM和SpO2監(jiān)測應(yīng)用中面臨的最大挑戰(zhàn)是什么?

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原文標(biāo)題:顛覆!多波長光學(xué)測量可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的SpO2測量無法實(shí)現(xiàn)的功能

文章出處:【微信號:tisemi,微信公眾號:德州儀器】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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