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作者：德州仪器  Sanjay Pithadia

光电容积脉搏波描记术（Photoplethysmography，PPG）是一种用于心率监测仪（HRM）和外周毛细血管氧饱和度（SpO2）测量的流行光学技术。它简易方便，因为只需将LED和光电探测器（PD）连接到身体上即可。

PPG的基本理论基于人体组织的光吸收变化，这与氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的相对浓度的变化相关。由心脏收缩和舒张引起的血容量变化可用于估计动脉血氧饱和度。

实现传统的参数测量无法实现的功能

PPG信号易受运动伪影的影响，这取决于光源的波长。光吸收以及因此进入组织的穿透深度取决于波长。红外和近红外（NIR）等较长波长的吸收相对较低，可实现更深入的组织穿透。诸如绿色和蓝色等波长较短的光被黑色素强烈吸收；因此，进入组织的穿透深度相对较浅。因此，红色和近红外光PPG受制于伪影，而绿色和蓝色光PPG相对没有伪影。

图1所示为波长为400至1,000 nm的光信号的皮肤穿透深度。

图1：显示一系列不同波长光源的光学穿透深度（δ）

在多路复用配置中使用多个LED和PD可实现多波长测量和监测。每个二极管和检测器可支持不同波长，也可以多路复用的方式（在不同的采样阶段）使用，以监控不同的参数。

采用Bluetooth®5的多波长光学HRM和SpO2监控参考设计采用AFE4420单芯片生物传感前端，同时支持四个LED和四路时分多路复用光电探测器输入。它集成了灵活的LED驱动器和光电探测器的完整接收器链。

信号采集最多可在16相完成，且每相都可灵活分配LED和PD（参见图2）。它与CC2640R2FSimpleLink™蓝牙低功耗无线微控制器（MCU）通信，后者通过串行外设接口或I2C集成了Arm®Cortex®-M3和2.4-GHz射频（RF）收发器。该设计支持使用联合测试行为组织连接捕获有线数据，并通过Bluetooth 5将其发送捕获无线数据。

图2: 多波长光学HRM和SpO2监控参考设计框图

该设计的主要特点包括：

• 用于计算心率、SpO2和其它相关参数的原始PPG数据。AFE4420在市场上具有独特的集成度、低功耗和尺寸，并提供超低功耗模式的灵活性和集成的先进先出功能，可使MCU保持睡眠模式，以延长电池寿命。

• 使用CC2640R2F实现无线连接。CC264R2F集成Arm Cortex-M3和2.4-GHz RF收发器支持Bluetooth 4.2和5.0配置文件，也可用作主机处理器。内部DC/DC转换器有助于提高整体系统效率并延长电池寿命。内置的低电池检测算法有助于减少可穿戴应用中的外部组件。

• 使用纽扣电池进行低功耗操作。该设计采用单个3-V、500 mA Cr3032纽扣电池，经测试可连续运行100小时；若不间断传送，则电池寿命为30天。

该参考设计专为医疗、个人健康护理和健身应用而设计，并附有设计指南、原理图、布局图和物料清单文件，可助您快速评估和加速产品开发。它有助于实时监控和数据记录功能，并支持针对不同配置的优化。

更多参考资料：

• “无线连接：创建下一代无线病人监护仪。”

• “用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器。”

• “从50多个生物识别可穿戴产品开发周期中吸取的10个教训。”

• 下载我们最新的模拟设计期刊文章，”改善可穿戴式病人监护仪和医用贴片的电池寿命。”