Q1 测量心率,是使用心电信号计算好,还是使用光学信号(PPG信号)计算好?如何选择传感器?
A1 严格来说,心率必须从心电信号中获取。从光学信号(又叫PPG)中获取的“心率”,是由浅表血管对光吸收率的变化而产生的,严格来说这是脉率,而不是“心率”。心率表征心脏周期性活动的频率,而脉率表征脉搏周期性活动的频率。通常,心率和脉率相等,但是对于一些比较严重的心血管疾病,心率和脉率是不同的。然而,在一般的消费类健康应用中,由于要求并不十分严格,我们一般不对心率和脉率加以严格区分。此时,选择心电信号和光学信号都可以计算心率,可以选择同时支持心电信号和光学信号测量的传感器。
Q2 心电图的导联是什么?
A2 心电信号是在人体两个不同部位测量的得到的差分信号。所以,要获取一路心电信号,需要两个电极。在人体不同部位放置电极,并通过导联线与心电图机的正负极相连,这种记录心电图的电路连接方法称为心电图的导联。国际通用的导联体系为标准12导联,有标准肢体导联3路:I、Ⅱ、Ⅲ;加压单极肢体导联3路:aVR、aVL、aVF;胸导联6路:V1~V6。此时,共需要在人体上放置10个电极(左臂、右臂、左腿、右腿加上胸部6个),其中有的电极可以复用,所以不需要24个电极。在一般的使用情形中,会选择标准12导联中的一路或多路进行测量。
Q3 ADI的许多心电应用的参考设计都设置了驱动电极,有何作用?
A3由于工频干扰等噪声的存在,心电信号含有许多共模成分,有时,这些共模成分会严重影响波形。驱动电极通常是输出电极,可将心电前端采集到的心电信号的共模成分再反向加到人体,相比于直接接地,可以达到提高系统整体共模抑制比的要求。通常,驱动电极可以放置在人体的任何位置,但是以放在右腿为佳(又称“右腿驱动”)。
Q4 心电测量的干扰有哪些?如何抑制?
A4 心电测量的干扰通常有工频干扰、肌电干扰、运动伪迹以及基线漂移。工频干扰表现为50Hz及其谐波,由人体和电力线之间的隔离不严密造成,另外人体类似天线,也会引入工频干扰;工频干扰可通过陷波滤波器、加强隔离的方法抑制。肌电干扰表现为高频的杂乱无章的噪声,可通过低通滤波器、放松肌肉的方法抑制。运动伪迹由运动产生,可通过算法结合加速度传感器去除。基线漂移由于呼吸或者人的微小移动产生,可通过高通滤波或者中值滤波去除。
Q5 血氧测量的干扰有哪些?如何抑制?
A5 血氧测量的干扰通常是环境光干扰、运动伪迹、基线漂移。后两种干扰的去除方法和心电测量中采用的方法类似,运动伪迹由运动产生,可通过算法结合加速度传感器去除;基线漂移由于呼吸或者人的微小移动产生,可通过高通滤波或者中值滤波去除。对于环境光干扰,ADI的光学生物传感器很多都具备了环境光抑制模块,可以去除环境光的信号,如MAX30101等。
Q6 什么是干电极测量?ADI有哪些器件支持此功能?
A6干电极是指不需要配合导电液体或者导电膏使用的电极,主要用来测量生物电势信号,如心电、脑电及肌电信号。干电极非常适合可穿戴设备的使用,因为不需要额外在电极上施加导电物质,也不像传统一次性湿电极无法复用。ADI的生物电势传感器MAX30001、MAX30003、MAX86150等都支持干电极测量。
Q7 MAX30101的环境光消除功能是什么?是否有助于抑制运动伪迹?
A7 MAX30101是ADI的光学传感器,其原理基于PPG信号的检测,可以实现心率和血氧的测量。MAX30101包含的环境光消除功能由芯片内部的电路实现,包括一个连续时间的∑-Δ模数转换器、专用的滤波器和跟踪/保持电路,可以消除环境光并增加信号的动态范围。一般来说,环境光消除功能并不能抑制运动伪迹。虽然运动伪迹会叠加在环境光干扰上,二者难以区分,但是环境光消除功能针对的是静态的环境光干扰,对于动态的运动伪迹干扰则较为困难。建议使用专用的算法以去除运动伪迹。
Q8 MAX30001测量呼吸的原理是怎样的?
A8 MAX30001是利用生物电阻抗通道实现呼吸的测量的。人体的胸部相当于一段导体,随着人体的呼吸,胸廓会发生变化,肺部的气体的组成成分也会变化,根据电阻的计算式,人体的电阻抗也会发生相应的变化。MAX30001利用检测胸部阻抗的变化来间接地反应人体的呼吸活动。
Q9 ADI光学生物传感器的SCD(皮肤接近检测算法)和传统的接近检测功能有何不同?
A9 ADI的SCD算法和传统的接近检测功能的不同之处在于SCD算法可以检测是不是皮肤接近了传感器。即,传统接近检测功能只能检测有没有物体靠近传感器,而SCD算法不仅能检测有没有物体靠近传感器,还能检测靠近传感器的是否是皮肤。
Q10 ADI的光学生物传感器为什么既有模拟前端(如MAX86140),又有模组(如MAX30101)?
A10 模组使用起来比较方便,其光学结构都已经确定不能更改,因此比较适合测量较为简单的组织部位,比如指尖部位的PPG信号。AFE的LED和PPD是分立的,用户可以根据测量位置等具体的需要设计设计光学结构,从而达到更好的测量效果,因此适合测量比较复杂的组织部位的PPG信号,如手腕、腹部等部位。
Q11 ADI的生物传感器芯片是否具有FDA或者CFDA的认证?
A11 一般只有整机而不是零件或者部件才能提交FDA或者CFDA的认证,因此芯片、参考设计、评估板通常都不在认证范围之内。
Q12 MAX32664的晶振是否上电后一直起振?
A12 MAX32664本质上是已经预烧录固件的带算法的MAX32660,只是许多引脚被屏蔽了,因此其电气参数和MAX32660完全一致。根据MAX32660的数据手册,在不同的工作模式下,晶振不完全是一直起振的。
Q13 MAX30001 EVSYS的输出信号的幅度为什么小于输入心电信号的幅度(假设输入信号为1mV,输出信号只有大约0.85mV)?
A13 心电信号是微弱信号,因此在从体表经过电极、导联线等传导路径到传感器,会发生一定衰减,因此是正常的。如果使用内部校准(Internal Calibration)功能生成一个1mV的心电信号直接进行内部转换,可以发现输出信号的幅度就是1mV,这说明传感器本身不会对信号造成较大衰减,而是传导路径造成的衰减。
Q14 MAX30101表面已经有光学玻璃覆盖,上面可否再加一层透明盖板?MAX30101的光学盖板是否可以直接接触皮肤表面?
A14 MAX30101是可以接触完好无感染的皮肤表面的,一般不需要再加透明盖板,因为光学玻璃盖板和模组的光学玻璃表面之间会形成一层空气隔层,从而可能干扰光路。如果一定要额外添加透明盖板,需要小心选择其折射率并仔细设计光学结构。
Q15 使用MAX30001根据数据手册的应用电路设计参考电路板,使用心电信号模拟器作为输入,输入幅值为1mV,发现数出的心电信号波形正常,但是幅值只有输入信号的75%,可能是什么原因?
A15 原因可能有两个。
其一,因为心电信号是心电向量在人体表面的投影,人体不同部位的心电信号的幅值是不一样的。所以对于某些心电信号模拟器,只有在特定的导联下输出才是1mV。比如某型号的心电信号模拟器,即使设定了输出信号幅度是1mV,但是器件本身的设定是在II导联下才输出1mV,其它导联下的输出会不足1mV。请检查导联是否选取正确。
第二,需要确认使用的心电模拟器接的地是“浮地”(floating ground),或者和MAX30001电路板共地。MAX30001本身是直流耦合,也就是说MAX30001的输入引脚(ECGN和ECGP)的差分输入信号要工作在IC的工作电压范围内(约0.75V),而心电模拟器和MAX30001共地可以有效地控制ECGP和ECGN在芯片工作电压范围内。如果心电模拟器接的地是“浮地”则没有此问题。