如何获得准确的入耳式心率和SpO 2监测

传感器的使用正在突飞猛进地增长。传感器几乎遍布每个行业，在消费电子、汽车、智能家居和医疗应用中的使用率尤其高。今天的智能手机至少包含五个传感器。新车现在有多个用于安全和停车的光学传感器，再加上典型发动机上的七种不同类型的传感器。

2017 年全球传感器市场总值为 $139B，预计到 2025 年将达到 $287B，复合年增长率为 9.5%。根据 Zion Market Research 的数据，仅医疗传感器市场在 2018 年的价值约为 11.7B 美元，预计到 2025 年将达到约 19.8B 美元，复合年增长率约为 7.80%。有用于脑机接口的可穿戴脑电图传感器技术。还有植入传感器。一个例子是视觉障碍者的图像传感器。在这方面有很多研究工作。许多例子之一是由斯坦福大学工程师和医学研究人员开发的无线、无电池、可生物降解的血流传感器。

健康监测传感器可能是增长最快的领域。有人说，传感器在新型可穿戴医疗设备中的应用受到人口老龄化的推动。但是，每个人都会从这些新技术中受益，而年轻的人群正在迅速加入。新的和改进的传感器技术被设计到智能手表和许多医疗可穿戴设备中。他们还将进入家庭使用的非便携式显示器，以及医疗设施中使用的设备。

设计基于传感器的可穿戴设备，提供所需的高精度，使其被视为医疗保健中有价值的工具，这绝非易事。从监测设备的放置到血液灌注水平，有许多考虑因素需要解决。有关获得准确的心率和血氧饱和度 （SpO 2 ） 测量以深入了解健康和福祉所面临的挑战的更多详细信息，请阅读应用说明“在聆听您喜欢的曲目时跟踪您的心率。”

入耳式应用的光学模块

SpO 2是血液中氧气含量的估计值。血氧测试用于检查一个人的肺部工作情况。血氧水平也是药物过量的最可靠指标。脉搏血氧仪对新生儿特别有价值，因为氧合不足，婴儿无法茁壮成长，但氧气过多和氧气浓度波动会导致视力障碍或失明。此外，医院在麻醉和麻醉后护理期间使用准确的 SpO 2测量。

脉搏血氧仪通过将红色 LED（600-750nm 波长）和红外 LED（850-1000nm 波长）交替闪烁到身体部位来工作。然后使用光电二极管传感器测量氧合血红蛋白 （HbO 2 ）的红光吸收和脱氧血红蛋白 （Hb） 的红外光吸收。Hb 吸收更多（并且反射更少）红光。HbO 2吸收更多的红外光。

血氧饱和度可以通过比较 Hb 和 HbO 2的值来确定。透射式血氧仪测量通过组织（通常是手指）透射的光，反射式血氧仪（如本设备所用）测量由组织（通常是手腕或耳朵）反射的光。

MAXM86161是一款极低功耗、单电源、高度集成的光学模块，用于心率和SpO 2测量。该 IC 针对入耳式应用进行了优化，采用微型 0.169 x 0.114 英寸窗口封装，带有由三个低噪声 8 位 DAC 控制的红色、IR 和绿色 LED，以及一个连接到跨阻放大器和 19 位 A/D 转换器。使用单个绿色 LED 测量心率。

MAXM86161 的跨阻放大器将来自光电二极管的几微安电流转换为几毫伏的信号。该信号然后通过高通滤波器以减少背景光干扰，然后进入 A/D。

图 1. MAXM86161 框图。

该 IC 在 -40° 至 85°C 的温度范围内采用 3.0V 至 5.5V VLED 单电源供电。它支持标准 I 2 C 接口和完全自主操作，并具有 128 字的内置 FIFO。

温度测量功耗降低 50%

设计下一代可穿戴健康和健身应用的工程师需要高精度和极低功耗，用于腕带可穿戴设备等应用。手腕不是临床监测体温的理想位置，但可以提供良好的相对和每日趋势指示。准确性在这里仍然非常重要。

在医院中，拥有一个准确的集成温度传感器意味着不再需要每小时一次将温度计插入患者口中。现在，护士站可以连续读取多个体温的图表，准确度更高，患者体验更舒适。

长时间的体温变化可能表明感染引起的常见发烧，而术后患者体温突然下降可能表明危及生命的状况。因此，快速准确地测量体温的能力对医生来说非常重要。最近的研究表明，皮肤温度的局部变化可能是疾病的标志，包括恶性肿瘤。身体上的多个温度监测器可能是一个重要的诊断工具。

使用MAX30208数字温度传感器 IC 的设计可以将温度测量所需的功率降低 50%。该芯片是具有极高准确度 （±0.1°C）、单电源供电（1.7V 至 3.6V）、低成本和测量期间仅 60µA 电流消耗和停机时 0.5µA 电流消耗的“天才”器件之一。 还能要求什么呢？

图 2.MAX30208 框图。

该 IC 允许在单个总线上寻址多个设备。它有一个 I 2 C 串行接口和一个用于温度数据的 32 字 FIFO 缓冲器，并采用非常小的 2mm x 2mm x 0.75mm、10 引脚薄 LGA 封装。唯一的 ROM ID 允许设备可被 NIST 追踪。除了 FIFO，内存映射寄存器还包含高低警报触发寄存器和传感器设置寄存器。

不是在封装底部使用导热垫，而是在封装顶部测量温度，尽可能远离其引脚，从而最大限度地减少寄生自热的可能性。

结论

得益于先进的传感器技术，设计医疗设备的工程师现在有了优势。借助这些技术，设计人员正在推出新一波健康监测可穿戴设备，可以实现向更积极主动的预防性护理转变。

审核编辑：郭婷