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时间:2018-08-29 作者:Ryan Kraudel, 德州仪器 阅读:
本文是主题为“用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器”三篇系列文章的第一篇。本篇着重介绍这些传感器系统的工作原理和通过它们可以测量什么。

大部分可穿戴设备采用光电容积脉搏波描记法(PPG)来测量心率及其他生物计量指标。PPG是一种将光照进皮肤并测量因血液流动而产生的光散射的方法。该方法非常简单,光学心率传感器基于以下工作原理:当血流动力发生变化时,例如血脉搏率(心率)或血容积(心输出量)发生变化时,进入人体的光会发生可预见的散射。下图1介绍了光学心率传感器的主要元件和基本工作原理。

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图 1:光学心率传感器的基本结构与运行

光学心率传感器使用四个主要亚博体育手机客户端元件来测量心率:

• 光发射器 - 通常至少由两个光发射二极管(LED)构成,它们会将光波照进皮肤内部。


• 光电二极管和模拟前端(AFE) - 这些元件捕获穿戴者折射的光,并将这些模拟信号转换成数字信号用于计算可实际应用的心率数据。


• 加速计 - 加速计可测量运动,与光信号结合运用,作为PPG算法的输入。


• 算法 - 算法能够处理来自AFE和加速计的信号,然后将处理后的信号叠加到PPG波形上,由此可生成持续的、运动容错心率数据和其他生物计量数据。

光学心率传感器可以测量什么?

光学心率传感器可生成测量心率的PPG波形并将该心率数据作为基础生物计量值,但是利用PPG波形可以测量的对象远不止于此。尽管很难取得和维护精确的PPG测量结果(我们将在下一篇详细论述它),但是如果您能够成功获得精确的PPG测量结果,它将发挥强大的作用。高品质PPG信号是当今市场需求的大量生物计量的基础。图2是经过简化的PPG信号,该信号代表了多个生物计量的测量结果。
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图 2:典型的PPG波形

下面我们进一步详细解读某些光学心率传感器可以测得的结果:

• 呼吸率 - 休息时的呼吸率越低,通常这表明身体状况越好。


• 最大摄氧量(VO2max)– VO2测量人体可以摄入的最大氧气量,是人们广泛使用的有氧耐力指标。


• 血氧水平(SpO2) - 是指血液中的氧气浓度。


• R-R间期(心率变异率)- R-R间期是血脉冲的间隔时间;一般而言,心跳间隔时间越长越好。R-R间期分析,可用作压力水平和不同心脏问题的指标。


• 血压 - 通过PPG传感器信号,无需使用血压计即可测量血压。


• 血液灌注 - 灌注是指人体推动血液流经循环系统的能力,特别是在濒于死亡时流经全身毛细血管床的能力。因为PPG传感器可跟踪血液流动,所以可以测量血流相对灌注率及血液灌注水平的变化。


• 心效率 - 这是心脑血管健康和身体状况的另一个指标,一般来说,它测量的是心脏每搏的做功效率。

光学心率传感器带来的挑战

设计可穿戴设备上的光学心率传感器的难度很高,因为设计方法会受到人体运动的很大影响。为了弥补这一点,您需要强大的光力学和信号提取算法。图3说明了您在设计光学心率传感器时可能面临的部分主要挑战。
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图 3:集成光学心率传感器的主要挑战


光力学

下面进一步介绍有关PPG传感器集成的光力学考虑事项:

• 光力学耦合 - 在传感器与人体之间是否能够高效进行双向光导与耦合?使血流信号最大化和向传感器施加噪音的环境噪音(如日光)最小化,是其中的关键。


• 是否为人体部位使用了正确的波长?不同部位需要不同的波长,因为各部位的生理构造不同,并且环境噪音对不同部位的影响不同。


• 设计是否使用了多个发射器,它们的间距是否正确?发射器的间距很重要,正确布放才能确保您测量到足够量的正确类型的血流,且测量结果具有较少的伪影。


• 在体育锻炼或身体运动过程中,诸如皮肤与传感器之间的位移量等机械力学作用是否最小?这对许多佩戴可穿戴设备进行活动的常见情况都是个问题,比如跑步、慢跑和健身房锻炼。

信号提取算法

下面进一步介绍有关信号提取考虑事项的详细信息:

• 算法是否在多元化的人群中进行过验证?这一点很重要,只有进行过此类验证才能保证设备能够适应多种肤色、不同性别、不同体型和健康状况而正常运行。


• 算法是否有抵抗多种类型运动噪音的强健性?算法必须能够在各种活动期间正常工作,包括步行、跑步(高速稳定的跑步和间歇训练)、疾跑、健身房训练及打字或开车等日常行为。


• 算法是否能够持续改进,以便能够处理更多用例和新型生物计量?这种亚博体育手机客户端和可穿戴设备市场正在迅速发展,您必须不断创新,才可满足不断变化的客户需求。

我希望大家能够通过本篇博客了解一些有关PPG传感器系统工作原理及可测量内容的知识。本系列的下一篇博文将探讨将这种亚博体育手机客户端集成到各类设备(手表、健身手环和耳塞等)的最佳实践。

(“用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器”三篇系列文章第二篇:从50多个生物识别可穿戴产品开发周期得到的十大经验教训、第三篇:光学心率传感器亚博体育手机客户端在可穿戴设备中的新兴医疗应用

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