光學(xué)心率傳感器的工作原理和測量方法
發(fā)布時間:2019-01-12 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】本篇著重介紹這些傳感器系統(tǒng)的工作原理和通過它們可以測量什么。大部分可穿戴設(shè)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(biāo)。PPG是一種將光照進皮膚并測量因血液流動而產(chǎn)生的光散射的方法。
該方法非常簡單,光學(xué)心率傳感器基于以下工作原理:當(dāng)血流動力發(fā)生變化時,例如血脈搏率(心率)或血容積(心輸出量)發(fā)生變化時,進入人體的光會發(fā)生可預(yù)見的散射。下圖1介紹了光學(xué)心率傳感器的主要元件和基本工作原理。
圖1:光學(xué)心率傳感器的基本結(jié)構(gòu)與運行
光學(xué)心率傳感器使用四個主要技術(shù)元件來測量心率:
光發(fā)射器 - 通常至少由兩個光發(fā)射二極管(LED)構(gòu)成,它們會將光波照進皮膚內(nèi)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號用于計算可實際應(yīng)用的心率數(shù)據(jù)。
加速計 - 加速計可測量運動,與光信號結(jié)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(xù)的、運動容錯心率數(shù)據(jù)和其他生物計量數(shù)據(jù)。
光學(xué)心率傳感器可以測量什么?
光學(xué)心率傳感器可生成測量心率的PPG波形并將該心率數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)生物計量值,但是利用PPG波形可以測量的對象遠(yuǎn)不止于此。盡管很難取得和維護精確的PPG測量結(jié)果(我們將在下一篇詳細(xì)論述它),但是如果您能夠成功獲得精確的PPG測量結(jié)果,它將發(fā)揮強大的作用。高品質(zhì)PPG信號是當(dāng)今市場需求的大量生物計量的基礎(chǔ)。圖2是經(jīng)過簡化的PPG信號,該信號代表了多個生物計量的測量結(jié)果。
圖2:典型的PPG波形
下面我們進一步詳細(xì)解讀某些光學(xué)心率傳感器可以測得的結(jié)果:
呼吸率 - 休息時的呼吸率越低,通常這表明身體狀況越好。
最大攝氧量(VO2max)– VO2測量人體可以攝入的最大氧氣量,是人們廣泛使用的有氧耐力指標(biāo)。
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(biāo)。
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(jīng)循環(huán)系統(tǒng)的能力,特別是在瀕于死亡時流經(jīng)全身毛細(xì)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(biāo),一般來說,它測量的是心臟每搏的做功效率。
光學(xué)心率傳感器帶來的挑戰(zhàn)
設(shè)計可穿戴設(shè)備上的光學(xué)心率傳感器的難度很高,因為設(shè)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(xué)和信號提取算法。圖3說明了您在設(shè)計光學(xué)心率傳感器時可能面臨的部分主要挑戰(zhàn)。
圖3:集成光學(xué)心率傳感器的主要挑戰(zhàn)
光力學(xué)
下面進一步介紹有關(guān)PPG傳感器集成的光力學(xué)考慮事項:
光力學(xué)耦合 - 在傳感器與人體之間是否能夠高效進行雙向光導(dǎo)與耦合?使血流信號最大化和向傳感器施加噪音的環(huán)境噪音(如日光)最小化,是其中的關(guān)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(gòu)造不同,并且環(huán)境噪音對不同部位的影響不同。
設(shè)計是否使用了多個發(fā)射器,它們的間距是否正確?發(fā)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(jié)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(xué)作用是否最???這對許多佩戴可穿戴設(shè)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(guān)信號提取考慮事項的詳細(xì)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(shè)備能夠適應(yīng)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(wěn)定的跑步和間歇訓(xùn)練)、疾跑、健身房訓(xùn)練及打字或開車等日常行為。
算法是否能夠持續(xù)改進,以便能夠處理更多用例和新型生物計量?這種技術(shù)和可穿戴設(shè)備市場正在迅速發(fā)展,您必須不斷創(chuàng)新,才可滿足不斷變化的客戶需求。
希望大家能夠通過本篇博客了解一些有關(guān)PPG傳感器系統(tǒng)工作原理及可測量內(nèi)容的知識。本系列的下一篇博文將探討將這種技術(shù)集成到各類設(shè)備(手表、健身手環(huán)和耳塞等)的最佳實踐。
來源:EETOP TI社區(qū)
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