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作者：德州儀器 Sanjay Pithadia 光電容積脈搏波描記術(shù)（Photoplethysmography，PPG）是一種用于心率監測儀（HRM）和外周毛細血管氧飽和度（SpO2）測量的流行光學(xué)技術(shù)。它簡(jiǎn)易方便，因為只需將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動(dòng)脈血氧飽和度。 PPG信號易受運動(dòng)偽影的影響，這取決于光源的波長(cháng)。光吸收以及因此進(jìn)入組織的穿透深度取決于波長(cháng)。紅外和近紅外（NIR）等較長(cháng)波長(cháng)的吸收相對較低，可實(shí)現更深入的組織穿透。諸如綠色和藍色等波長(cháng)較短的光被黑色素強烈吸收；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，而綠色和藍色光PPG相對沒(méi)有偽影。 圖1所示為波長(cháng)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(cháng)光源的光學(xué)穿透深度（δ） 在多路復用配置中使用多個(gè)LED和PD可實(shí)現多波長(cháng)測量和監測。每個(gè)二極管和檢測器可支持不同波長(cháng)，也可以多路復用的方式（在不同的采樣階段）使用，以監控不同的參數。 采用Bluetooth®5的多波長(cháng)光學(xué)HRM和SpO2監控參考設計采用AFE4420單芯片生物傳感前端，同時(shí)支持四個(gè)LED和四路時(shí)分多路復用光電探測器輸入。它集成了靈活的LED驅動(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(jiàn)圖2）。它與CC2640R2FSimpleLink™藍牙低功耗無(wú)線(xiàn)微控制器（MCU）通信，后者通過(guò)串行外設接口或I2C集成了Arm®Cortex®-M3和2.4-GHz射頻（RF）收發(fā)器。該設計支持使用聯(lián)合測試行為組織連接捕獲有線(xiàn)數據，并通過(guò)Bluetooth 5將其發(fā)送捕獲無(wú)線(xiàn)數據。
圖2: 多波長(cháng)光學(xué)HRM和SpO2監控參考設計框圖 該設計的主要特點(diǎn)包括： • 用于計算心率、SpO2和其它相關(guān)參數的原始PPG數據。AFE4420在市場(chǎng)上具有獨特的集成度、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(cháng)電池壽命。 • 使用CC2640R2F實(shí)現無(wú)線(xiàn)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，也可用作主機處理器。內部DC/DC轉換器有助于提高整體系統效率并延長(cháng)電池壽命。內置的低電池檢測算法有助于減少可穿戴應用中的外部組件。 • 使用紐扣電池進(jìn)行低功耗操作。該設計采用單個(gè)3-V、500 mA Cr3032紐扣電池，經(jīng)測試可連續運行100小時(shí)；若不間斷傳送，則電池壽命為30天。 該參考設計專(zhuān)為醫療、個(gè)人健康護理和健身應用而設計，并附有設計指南、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(kāi)發(fā)。它有助于實(shí)時(shí)監控和數據記錄功能，并支持針對不同配置的優(yōu)化。 |
