光電容積脈搏波描記術（PPG）是一種用于心率監測儀（HRM）和外周毛細血管氧飽和度（SpO2）測量的流行光學技術。它簡易方便，因為只需將LED和光電探測器（PD）連接到身體上即可。

PPG的基本理論基于人體組織的光吸收變化，這與氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的相對濃度的變化相關。由心臟收縮和舒張引起的血容量變化可用于估計動脈血氧飽和度。

PPG信號易受運動偽影的影響，這取決于光源的波長。光吸收以及因此進入組織的穿透深度取決于波長。紅外和近紅外（NIR）等較長波長的吸收相對較低，可實現更深入的組織穿透。諸如綠色和藍色等波長較短的光被黑色素強烈吸收；因此，進入組織的穿透深度相對較淺。因此，紅色和近紅外光PPG受制于偽影，而綠色和藍色光PPG相對沒有偽影。

圖1所示為波長為400至1,000 nm的光信號的皮膚穿透深度。

圖1：顯示一系列不同波長光源的光學穿透深度（δ）

在多路復用配置中使用多個LED和PD可實現多波長測量和監測。每個二極管和檢測器可支持不同波長，也可以多路復用的方式（在不同的采樣階段）使用，以監控不同的參數。

采用Bluetooth?5的多波長光學HRM和SpO2監控參考設計采用AFE4420單芯片生物傳感前端，同時支持四個LED和四路時分多路復用光電探測器輸入。它集成了靈活的LED驅動器和光電探測器的完整接收器鏈。

信號采集最多可在16相完成，且每相都可靈活分配LED和PD（參見圖2）。

它與CC2640R2FSimpleLink?藍牙低功耗無線微控制器（MCU）通信，后者通過串行外設接口或I2C集成了Arm?Cortex?-M3和2.4-GHz射頻（RF）收發器。該設計支持使用聯合測試行為組織連接捕獲有線數據，并通過Bluetooth 5將其發送捕獲無線數據。

圖2: 多波長光學HRM和SpO2監控參考設計框圖

該設計的主要特點包括：

用于計算心率、SpO2和其它相關參數的原始PPG數據。AFE4420在市場上具有獨特的集成度、低功耗和尺寸，并提供超低功耗模式的靈活性和集成的先進先出功能，可使MCU保持睡眠模式，以延長電池壽命。

使用CC2640R2F實現無線連接。CC264R2F集成Arm Cortex-M3和2.4-GHz RF收發器支持Bluetooth 4.2和5.0配置文件，也可用作主機處理器。內部DC/DC換器有助于提高整體系統效率并延長電池壽命。內置的低電池檢測算法有助于減少可穿戴應用中的外部組件。

使用紐扣電池進行低功耗操作。該設計采用單個3-V、500 mA Cr3032紐扣電池，經測試可連續運行100小時；若不間斷傳送，則電池壽命為30天。

該參考設計專為醫療、個人健康護理和健身應用而設計，并附有設計指南、原理圖、布局圖和物料清單文件，可助您快速評估和加速產品開發。它有助于實時監控和數據記錄功能，并支持針對不同配置的優化。

您在HRM和SpO2監測應用中面臨的最大挑戰是什么？