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用于生物計量可穿戴設備的光學心率傳感器

2018年08月28日15:42:59 本網站 我要評論(2)字號:T | T | T
關鍵字:應用 數字 傳感器 
本文是主題為“用于生物計量可穿戴設備的光學心率傳感器”三篇系列文章的第一篇。本篇著重介紹這些傳感器系統的工作原理和通過它們可以測量什么。

大部分可穿戴設備采用光電容積脈搏波描記法(PPG)來測量心率及其他生物計量指標。PPG是一種將光照進皮膚并測量因血液流動而產生的光散射的方法。該方法非常簡單,光學心率傳感器基于以下工作原理:當血流動力發生變化時,例如血脈搏率(心率)或血容積(心輸出量)發生變化時,進入人體的光會發生可預見的散射。下圖1介紹了光學心率傳感器的主要元件和基本工作原理。

 
圖 1:光學心率傳感器的基本結構與運行

光學心率傳感器使用四個主要技術元件來測量心率:
光發射器 - 通常至少由兩個光發射二極管(LED)構成,它們會將光波照進皮膚內部。
光電二極管和模擬前端(AFE) - 這些元件捕獲穿戴者折射的光,并將這些模擬信號轉換成數字信號用于計算可實際應用的心率數據。
加速計 - 加速計可測量運動,與光信號結合運用,作為PPG算法的輸入。
算法 - 算法能夠處理來自AFE和加速計的信號,然后將處理后的信號疊加到PPG波形上,由此可生成持續的、運動容錯心率數據和其他生物計量數據。

光學心率傳感器可以測量什么?
光學心率傳感器可生成測量心率的PPG波形并將該心率數據作為基礎生物計量值,但是利用PPG波形可以測量的對象遠不止于此。盡管很難取得和維護精確的PPG測量結果(我們將在下一篇詳細論述它),但是如果您能夠成功獲得精確的PPG測量結果,它將發揮強大的作用。高品質PPG信號是當今市場需求的大量生物計量的基礎。圖2是經過簡化的PPG信號,該信號代表了多個生物計量的測量結果。
 

圖 2:典型的PPG波形

下面我們進一步詳細解讀某些光學心率傳感器可以測得的結果:
呼吸率 - 休息時的呼吸率越低,通常這表明身體狀況越好。
較大攝氧量(VO2max)– VO2測量人體可以攝入的較大氧氣量,是人們廣泛使用的有氧耐力指標。
血氧水平(SpO2) - 是指血液中的氧氣濃度。
R-R間期(心率變異率)- R-R間期是血脈沖的間隔時間;一般而言,心跳間隔時間越長越好。R-R間期分析,可用作壓力水平和不同心臟問題的指標。
血壓 - 通過PPG傳感器信號,無需使用血壓計即可測量血壓。
血液灌注 - 灌注是指人體推動血液流經循環系統的能力,特別是在瀕于死亡時流經全身毛細血管床的能力。因為PPG傳感器可跟蹤血液流動,所以可以測量血流相對灌注率及血液灌注水平的變化。
心效率 - 這是心腦血管健康和身體狀況的另一個指標,一般來說,它測量的是心臟每搏的做功效率。

光學心率傳感器帶來的挑戰
設計可穿戴設備上的光學心率傳感器的難度很高,因為設計方法會受到人體運動的很大影響。為了彌補這一點,您需要強大的光力學和信號提取算法。圖3說明了您在設計光學心率傳感器時可能面臨的部分主要挑戰。

 
圖 3:集成光學心率傳感器的主要挑戰

光力學
下面進一步介紹有關PPG傳感器集成的光力學考慮事項:
光力學耦合 - 在傳感器與人體之間是否能夠高效進行雙向光導與耦合?使血流信號較大化和向傳感器施加噪音的環境噪音(如日光)較小化,是其中的關鍵。
是否為人體部位使用了正確的波長?不同部位需要不同的波長,因為各部位的生理構造不同,并且環境噪音對不同部位的影響不同。
設計是否使用了多個發射器,它們的間距是否正確?發射器的間距很重要,正確布放才能確保您測量到足夠量的正確類型的血流,且測量結果具有較少的偽影。
在體育鍛煉或身體運動過程中,諸如皮膚與傳感器之間的位移量等機械力學作用是否較?這對許多佩戴可穿戴設備進行活動的常見情況都是個問題,比如跑步、慢跑和健身房鍛煉。

信號提取算法
下面進一步介紹有關信號提取考慮事項的詳細信息:
算法是否在多元化的人群中進行過驗證?這一點很重要,只有進行過此類驗證才能保證設備能夠適應多種膚色、不同性別、不同體型和健康狀況而正常運行。
算法是否有抵抗多種類型運動噪音的強健性?算法必須能夠在各種活動期間正常工作,包括步行、跑步(高速穩定的跑步和間歇訓練)、疾跑、健身房訓練及打字或開車等日常行為。
算法是否能夠持續改進,以便能夠處理更多用例和新型生物計量?這種技術和可穿戴設備市場正在迅速發展,您必須不斷創新,才可滿足不斷變化的客戶需求。
我希望大家能夠通過本篇博客了解一些有關PPG傳感器系統工作原理及可測量內容的知識。本系列的下一篇博文將探討將這種技術集成到各類設備(手表、健身手環和耳塞等)的較佳實踐。

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