可穿戴健康设备生物传感前端设计非常棘手；这些开发套件能替你解围

你可能没有意识到，但其实你已经非常熟悉航空航天工程师爱德华·墨菲。他的工作领域是安全关键型系统，但任何生物工程师都能理解这句俗语——会出错的事总会出错。即使在看似简单的系统中，每个单独的部分都得到了很好的了解和理解，但将它们组合起来产生的效果却远小于各部分的总和。

如果你正在定制设计可提供准确测量结果的保健和健身可穿戴设备，你可能非常熟悉这种现象以及墨菲定律。

人们对利用光电容积描记图 (PPG) 或心电图 (ECG) 测量生命体征背后的概念已经非常清楚。工程师们知道，通过测量外周血管血容量的变化可以得知由 PPG 导出的心率，或者通过监测心肌产生的生物电活动可以确定由 ECG 导出的心率。他们了解估算外周血氧饱和度 (SpO2) 背后的简单理论，即利用氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白吸收光谱的差异。工程师们也逐渐熟悉更复杂的测量功能，例如利用脉搏传导时间 (PTT) 或脉搏到达时间 (PAT) 设计无袖带血压监测仪。

这些不同测量依赖类似的放大器和滤波器信号链来调节传送到模数转换器 (ADC) 的传感器信号。微控制器 (MCU) 使用转换后的数据执行带有完善文档说明的算法，以生成心率、SpO2、血压等指标的值。

获取清晰的生物信号

开发人员可以利用大量低功耗、高精度器件来构建定制信号链和处理子系统，实现保健和健身产品的差异化。但在大多数情况下，有现成的专用生物传感器可用，无需为这些应用构建自己的生物传感器信号链。

例如，Analog Devices 的 MAX86140 和 MAX86141 之类的器件就是专为光学 PPG 方法而设计的。对于生物电位 ECG 测量，Analog Devices 的 MAX30003、AD8232A 和 AD8233A 实现了所需的信号链。Analog Devices 的 ADPD4100 和 ADPD4101 能支持这两种类型的测量。这些多模态模拟前端 (AFE) 集成了一对多通道信号调节链，包括跨阻放大器 (TIA)、带通滤波器 (BPF)、积分器和 ADC。

开发人员可以将这种 AFE 作为基于生物电的单导联 ECG 测量（图 1，左）和基于光学的 PPG 测量（图 1，右）的基础，因为它非常适合消费类可穿戴设备。

图 1：Analog Devices 的 ADPD4100 和 ADPD4101 AFE 支持 PPG（左）和 ECG（右）测量。（图片来源：Analog Devices）

这些专用生物传感器有助于加快开发速度，但并不能帮助你消除在处理生物系统时可能出现的所有错误。不可预测（但并不意外）的伪影（如瞬态环境源和皮肤不均匀性）会影响 PPG，而电磁干扰 (EMI) 和各种生理电信号源（如骨骼肌收缩）会让 ECG 变得复杂。（在我的论文研究期间，我发现这些伪影对信噪比 (SNR) 的影响有时会非常大。我不得不推迟自己的主要目标，先构造一套基于机器学习 (ML) 的子系统来获取清晰的生物信号。）

考虑到生物系统的本质，即使完全理解 PPG、ECG、PAT/PTT 和其他生物方法背后的理论，开发人员也会发现设计保健或健身可穿戴设备并非表面看上去那么容易。如果只关注信号链和算法，开发人员很快就会发现自己的工作不得不偏离主线，因为生物信号游移不定，需要先解决如何获取清晰信号的问题。

然而，开发人员可以使用生物传感器开发套件来快速构建原型，进而开始探索不同光波长、电极放置或许多其他优化生物信号采集的办法的作用（或者首先让工作开展起来）。

可穿戴健康设备的原型开发专用套件

Analog Devices 的 EVAL-ADPD4100Z-PPG 之类的评估套件和 MAXREFDES103# 保健传感器手环专门设计用于加快可穿戴健康设备的开发。开发期间，EVAL-ADPD4100Z-PPG 采用该公司的 EVAL-ADPDUCZ 基于 Cortex-M3 微控制器的母板进行编程，母板通过套件电路板的 USB 微型连接器端口连接。断开 USB 线后，开发人员可以通过电路板上的预留孔连接所提供的腕带，从而在现地测试其设计（图 2）。

图 2.Analog Devices 的 EVAL-ADPD4100Z-PPG 评估板可以戴在手腕上，对实际的生物传感条件进行研究。（图片来源：Analog Devices）

MAXREFDES103# 套件在预先构建的可穿戴设备包装中结合了基于 MAX86141 生物传感器的传感器子系统和基于 MAX32630 MCU 的综合主机子系统。除了按钮和用于显示设备状态的彩色发光二极管 (LED) 外，可穿戴设备包装还提供 USB Type-C 连接器，用于连接所提供的适配器板以进行固件更新（图 3）。

图 3：MAXREFDES103# 保健参考设计包括用于现场研究生物传感器应用的可穿戴设备。（图片来源：Analog Devices）

也许最重要的是，每个套件都带有用于分析测量数据的软件包，让开发人员能够研究不同传感配置下连续测量期间生成的波形，并检查有意或无意的伪影的影响。Analog Devices 的 Wavetool 评估软件让开发人员可以在不同的应用模式下运行 EVAL-ADPD4100Z-PPG，包括 SpO2 和 ECG 模式。

Analog Devices 的 MAXREFDES103# 参考设计软件包包括 DeviceStudio 应用程序，允许开发人员针对心率和 SpO2 配置生物传感器和嵌入式算法。该公司还提供 Health Sensor Platform（保健传感器平台），这是一款 Android 应用程序，提供针对睡眠质量、呼吸率和心率变异性 (HRV) 的额外算法。后一指标作为监测个人自主神经系统变化的非侵入式方法，已引起医学界的特别关注。

总结

从头开始为可穿戴设备设计生物传感信号链需要勇气。但是，如果你决定构建自己的信号链，本文介绍的专用开发工具包将能替你解围，帮助你应对非常现实的生物传感相关挑战。