如何采用健康监测设备对身体监测与测量.doc
《如何采用健康监测设备对身体监测与测量.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《如何采用健康监测设备对身体监测与测量.doc(8页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、如何采用健康监测设备对身体监测与测量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。然而,开发人员现在可以使用附近的硬件和软件解决方案,为快速实施能够进行各种高级生理测量的临床级产品提供灵活的基础。本文将介绍Maxim Integrated的一个此类解决方案,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健康和健康监测和预测功能在消费者和医疗领域,越来越多的产品成为关键要求。在创建这些功能时,开发人员依赖于丰富的数据集,这些数据代表通过许多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,
2、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,呼吸率和心脏反应的深入了解不仅至关重要在临床环境中进行诊断,以及在更广泛的健身环境中进行体育锻炼和延长健康。测量方法尽管它们在更多主流产品中应用,但用于测量的方法仍然存在。这些特征已在急性观察和长期临床护理中使用了数十年。对于基本心率测量,光学体积描记法利用光吸收或反射的变化,其与每次心跳通过皮肤血管的血液体积的增加或减少相关。脉搏血氧饱和度通过比较对氧合血红蛋白(氧合血红蛋白)和脱氧血红蛋白(脱氧血红蛋白)选择性的两种不同波长的光吸收或反射来估计外周氧饱和度(SpO2)。氧合血红蛋白在940纳米(nm)的红外(IR)波长下吸收比
3、脱氧血红蛋白更多的光,并且脱氧血红蛋白在660nm附近的可见波长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可以提供外周血管中的SpO2。对更详细和全面的健康数据的兴趣持续增加,需要更复杂的测量。其中,生物电位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,以产生心电图(ECG)或与其他肌肉纤维相关联以产生肌电图(EMG)。为了测量心脏健康状况,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)。图1:ECG根据振幅,形状和波形时间提供有关心脏健康的广泛信息。 (图像来源:FirstAidForFee)至少,一个R波到下一个R波之间的时间(称为R-to-R测量
4、)提供了心率的瞬时测量。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变化来辨别有关心脏健康和病理的详细信息。也许不太熟悉,生物阻抗测量利用相关阻抗的变化随着下层组织和器官的变化。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,提供了用于测量呼吸速率和相对振幅的简单但可靠的方法。健康专家正在应用生物阻抗测量,如血糖检测,肺炎检测,关节健康评估,甚至心力衰竭预测等。开发人员如何构建能够进行这些测量的系统仍然是一项重大挑战。很少有开发团队拥有技术专长,可以创建可靠,安全地提取数据所需的专用匹配信号链。即使对于经验更丰富的生物工程师,创建自定义数据采集系统所需的时间最多
5、也会延迟实施提供更复杂的健康和健身监测产品所需的应用程序。开发人员可以发现即使是看似简单的技术,例如光学体积描记法和脉搏血氧测定法提出了意想不到的挑战。理论上,简单的心率监测器应该只需要一个光源来执行基本的光学体积描记术,而脉搏血氧仪应该只需要两个适合于氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的波长的光源。然而,在实践中,不同波长的光在表皮层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显示出不同的吸收或反射特性。因此,两个波长返回的光可能受到每个波长穿透的影响,就像每个波长所要测量的生理现象一样。开发人员经常发现需要使用多个光源而不仅仅是减轻这些影响,但也提供更复杂的生命统计测量,如血压。结合这
6、些特定问题,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专为提供能够满足光学体积描记法和脉搏血氧仪应用要求的插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特别适用于可穿戴设备等小型便携式应用。这款20引脚晶圆级封装尺寸仅为2.0 x 1.8毫米(mm),采用1.8伏主电源电压和3.1至5.5伏LED驱动器电源供电。该器件的最大采样速率为每秒4,096个样本(sps),耗电量约为660微安(A),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8.5A。该设备提供多种
7、旨在降低功耗的功能。对于要求采样率为256 sps及以下的应用,开发人员可以将器件置于动态掉电模式。在此模式下,器件会自动进入采样之间的低功耗模式。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,在设备从用户移除时节省电量。在这里,器件通过将采样率降至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,设备将以所需的采样率恢复正常操作。除了省电功能外,该设备还提供完整的光学传感系统,结合先进的光学接收器和LED驱动控制子系统,提供光学测量。在接收器端,MAX86140光学子系统包括光学测量所需的全部功能模块(图2)。这些模块包括环境光消
8、除(ALC),sigma-delta模数转换器(ADC),电压基准,带专用ADC的温度传感器以及专用的离散时间滤波器,可抑制50 Hz/60 Hz干扰。图2:Maxim Integrated MAX86140接收器集成了完整的信号链和专用模块,专门用于在存在环境光和噪声源的情况下优化光学传感。 (图像来源:Maxim Integrated)在其功能中,ALC采用了专有的机制来消除环境光,即使在明亮的环境中也能提供准确的结果。该设备甚至可以适应当用户从黑暗房间进入阳光和返回时可能发生的陡峭瞬态偏移。该设备的“栅栏”功能允许它替换与标准有很大偏差的单个样品,并通过外推样品历史记录创建一个值。在发送
9、器端,MAX86140集成了三个可编程LED可以配置为驱动总共六个LED的驱动器。由独立的LED驱动器电源供电,每个LED驱动器通道包括一个数模转换器(DAC)和一个能够直接从MAX86140的LEDx_DRV输出引脚驱动LED的电流源。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(s)编程为117.3s,并将特定电流输出电平设置为31 mA至124 mA的四个不同范围(图3)。图3:开发人员可以通过将LEDx_RGE 1:0设置为所需的满量程范围并将LEDx_PA 7:0设置为特定电流输出来精细调整每个MAX86140 LED电流输出电平。 (图像源:Max
10、im 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术测量,开发人员通常会同时驱动LED以最大化光学返回。对于脉搏血氧仪,它们将依次驱动单独的IR和红色LED,以测量确定SpO2所需的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的比例。开发人员还可以将控制器配置为在每个LED驱动序列之后测量环境光,以补偿干扰环境光源。图4:开发人员可以对Maxim Integrated MAX86140进行编程,同时驱动单独的LED(A)进行心率测量,或依次驱动(B)进行脉搏血氧饱和度测定
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 如何 采用 健康 监测 设备 身体 测量
链接地址:https://www.31doc.com/p-3429839.html