健jian身shen追zhui蹤zong器qi可ke以yi測ce量liang心xin率lv和he其qi他ta生sheng命ming體ti征zheng以yi幫bang助zhu用yong戶hu設she定ding日ri常chang鍛duan煉lian活huo動dong。健jian身shen追zhui蹤zong器qi通tong常chang內nei置zhi運yun動dong傳chuan感gan器qi，可ke以yi檢jian測ce運yun動dong模mo式shi以yi幫bang助zhu區qu分fen步bu行xing、跑步與遊泳，因此它也可以用作計步器。為在日常生活中提供舒適和便利，測量通常在手腕上進行，因為傳感器可以放置在手表、珠(zhu)寶(bao)和(he)腕(wan)帶(dai)等(deng)配(pei)飾(shi)中(zhong)。但(dan)是(shi)，此(ci)位(wei)置(zhi)對(dui)測(ce)量(liang)質(zhi)量(liang)而(er)言(yan)並(bing)非(fei)最(zui)佳(jia)。心(xin)率(lv)檢(jian)測(ce)會(hui)受(shou)到(dao)運(yun)動(dong)偽(wei)像(xiang)的(de)限(xian)製(zhi)而(er)難(nan)以(yi)進(jin)行(xing)
，因(yin)為(wei)肌(ji)肉(rou)質(zhi)量(liang)相(xiang)對(dui)較(jiao)大(da)，會(hui)限(xian)製(zhi)與(yu)動(dong)脈(mai)的(de)接(jie)觸(chu)。

 

相(xiang)比(bi)之(zhi)下(xia)，耳(er)朵(duo)更(geng)適(shi)合(he)進(jin)行(xing)光(guang)學(xue)心(xin)率(lv)測(ce)量(liang)。耳(er)垂(chui)已(yi)被(bei)醫(yi)學(xue)專(zhuan)家(jia)用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)血(xue)氧(yang)水(shui)平(ping)。但(dan)到(dao)目(mu)前(qian)為(wei)止(zhi)，這(zhe)尚(shang)未(wei)在(zai)消(xiao)費(fei)者(zhe)層(ceng)麵(mian)上(shang)得(de)到(dao)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)，因(yin)為(wei)基(ji)於(yu)耳(er)朵(duo)的(de)測(ce)量(liang)設(she)備(bei)受(shou)空(kong)間(jian)限(xian)製(zhi)
，並(bing)且(qie)功(gong)耗(hao)非(fei)常(chang)高(gao)，需(xu)要(yao)大(da)電(dian)池(chi)。但(dan)隨(sui)著(zhe)高(gao)集(ji)成(cheng)度(du)、更低功耗芯片的推出
，ADI公gong司si已yi開kai發fa出chu解jie決jue這zhe些xie問wen題ti的de解jie決jue方fang案an。現xian在zai可ke以yi將jiang有you效xiao運yun作zuo的de生sheng命ming體ti征zheng測ce量liang器qi件jian集ji成cheng到dao典dian型xing的de入ru耳er式shi耳er機ji中zhong。響xiang應ying度du的de改gai進jin開kai辟pi了le全quan新xin的de應ying用yong領ling域yu和he可ke能neng性xing。本ben文wen介jie紹shao並bing評ping估gu了le該gai係xi統tong。

 

基礎測量方法是光學性的。測量使用來自最多三個LED的短脈衝信號。LED電流最高可達370 mA，最小脈衝寬度為1μs。LED的(de)最(zui)佳(jia)波(bo)長(chang)根(gen)據(ju)測(ce)量(liang)位(wei)置(zhi)和(he)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)來(lai)選(xuan)擇(ze)。手(shou)腕(wan)上(shang)隻(zhi)能(neng)測(ce)量(liang)表(biao)麵(mian)動(dong)脈(mai)，故(gu)而(er)選(xuan)擇(ze)綠(lv)光(guang)
，耳(er)朵(duo)則(ze)不(bu)同(tong)
，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)紅(hong)外(wai)光(guang)，從(cong)而(er)獲(huo)得(de)更(geng)大(da)的(de)穿(chuan)透(tou)深(shen)度(du)和(he)更(geng)高(gao)的(de)SNR。光電二極管（其探測麵積與其響應度直接相關）用於測量反射光。因此
，它會同時測量信號和背景噪聲。下遊模擬前端提供更高的SNR。它ta用yong作zuo信xin號hao濾lv波bo器qi
，將jiang檢jian測ce到dao的de電dian流liu轉zhuan換huan為wei電dian壓ya，進jin而er轉zhuan換huan為wei數shu字zi形xing式shi。除chu反fan射she測ce量liang外wai，算suan法fa還hai包bao括kuo用yong於yu通tong過guo加jia速su度du計ji濾lv除chu運yun動dong偽wei像xiang的de校xiao正zheng。

 

組成測量係統的器件說明如下。ADI公司的ADPD144RI芯片用作模擬前端
，它還集成了光電二極管和LED。測量由三軸加速度計提供支持
，該三軸加速度計不僅用於識別步態和運動

，還用於去除偽像。本例中使用ADXL362。整個過程由ADuCM3029微控製器控製，該微控製器用作各種傳感器的接口並包含算法。

 

圖1.集成光學傳感器和加速度計的測試係統，刻度尺用於比較。

 

圖1顯示了該測試係統，常規耳塞中同時容納了光學傳感器和加速度計。已采取措施將ADC采樣率限製在100 Hz並最小化LED強度
，以盡可能降低功耗。

 

weileduixitongtexingjinxingbiaozheng，zhenduibutongdeyundongmoshikaolvlewuzhongbutongdechangjing。pinggujinshiyongguangxuexinhao，zheyangjiunengzhidaomaichongceliangbuzhunquexingchuxianzainaxiechangjingzhong

，yijiheshixuyaojiasudujishujulaitigaomaichongceliangdejingdu。changjinghangaiyixiayundongshunxu：

 

● 站著不動

● 站著不動並咀嚼

● 在辦公桌前工作

● 步行

●  跑步和跳躍

 

測試場景1

 

站著不動

 

圖2weifuduyucaiyangsulvdeguanxitu
，xianshileyuanshishujudepinpu。suizheshijiantuiyi，maiboketongguofengzhilaishibie。zaimeiyouyundongdeqingkuangxia，xinhaofeichangqingxi
，xinlvketongguofengzhiweizhiheyizhidecaiyangsulvlaiqueding。

 

圖2.測量幅度過采樣率以提供有關心率的信息

 

光學傳感器用兩種LED顏色——紅外和紅光——記錄心率
，每種顏色有四個通道。這樣就可以通過兩種不同顏色的通道來區分測量，並且可以選擇更穩健的版本。各種通道的信號如圖3A所suo示shi。利li用yong六liu個ge通tong道dao可ke以yi識shi別bie出chu非fei常chang明ming確que的de信xin號hao，同tong時shi兩liang個ge通tong道dao飽bao和he。為wei了le獲huo得de更geng強qiang和he更geng穩wen健jian的de信xin號hao，算suan法fa會hui添tian加jia相xiang應ying的de不bu飽bao和he通tong道dao並bing計ji算suan心xin率lv。圖tu3B顯示了紅光通道（頂部）和紅外通道（底部）的心率
，同時借助色標顯示了測量的置信度。圖中還給出了心率的倍數
，由此可以通過采樣速率和置信度指示來區分原始信號（虛線）。

 

總zong之zhi
，在zai沒mei有you運yun動dong的de情qing況kuang下xia，信xin號hao很hen強qiang且qie沒mei有you阻zu礙ai噪zao聲sheng，因yin此ci算suan法fa能neng以yi高gao可ke信xin度du確que定ding心xin率lv。來lai自zi紅hong外wai通tong道dao的de信xin號hao強qiang於yu來lai自zi紅hong光guang通tong道dao的de信xin號hao。

 

測試場景2

 

站著不動並咀嚼

 

場景2引入了額外的咀嚼動作。記錄的頻譜如圖4所示。與測試場景1不(bu)同(tong)，這(zhe)裏(li)可(ke)以(yi)清(qing)楚(chu)地(di)看(kan)到(dao)運(yun)動(dong)偽(wei)像(xiang)，其(qi)在(zai)信(xin)號(hao)中(zhong)表(biao)現(xian)為(wei)跳(tiao)躍(yue)。它(ta)們(men)在(zai)通(tong)道(dao)總(zong)和(he)中(zhong)也(ye)變(bian)得(de)清(qing)晰(xi)
，不(bu)再(zai)表(biao)現(xian)出(chu)如(ru)此(ci)明(ming)顯(xian)不(bu)同(tong)的(de)速(su)率(lv)。然(ran)而(er)
，算(suan)法(fa)還(hai)是(shi)能(neng)夠(gou)在(zai)沒(mei)有(you)運(yun)動(dong)傳(chuan)感(gan)器(qi)額(e)外(wai)幫(bang)助(zhu)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)以(yi)高(gao)置(zhi)信(xin)度(du)正(zheng)確(que)地(di)確(que)定(ding)心(xin)率(lv)。有(you)意(yi)思(si)的(de)是(shi)
，紅(hong)外(wai)信(xin)號(hao)強(qiang)度(du)再(zai)次(ci)大(da)於(yu)紅(hong)光(guang)通(tong)道(dao)的(de)信(xin)號(hao)強(qiang)度(du)。

 

圖3.紅色區域（頂部）顯示站著不動情況的四通道測量
，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定
，色標指示置信度。

 

圖4.紅色區域（頂部）顯示站著不動並咀嚼情況的四通道測量，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定
，色標指示置信度。心率可以在沒有加速度計的情況下予以確定。

 

圖5.紅色區域（頂部）顯示在辦公桌前工作情況的四通道測量，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定，色標指示置信度。心率可以在沒有加速度計的情況下予以確定。

 

圖6.紅色區域（頂部）顯示步行情況的四通道測量，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定

，色標指示置信度。對於紅外情況，心率可以在沒有加速度計的情況下予以確定。

 

圖7.紅色區域（頂部）顯示跑跳情況的四通道測量
，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定
，色標指示置信度。沒有加速度計很難確定心率。

 

圖8.無加速度計數據（左）和有加速度計數據（右）的加性頻譜比較。利用加速度計可以重建用戶的心率。

 

測試場景3

 

在辦公桌前工作

 

場景3中測試了另一種日常情況。測試人員坐在桌子前進行一些正常工作以及相關的動作。與場景2類似，可以檢測到運動偽像，由此算法可以識別兩個通道中的心率。從圖5中可以看出，紅外信號在這裏同樣占主導地位。

 

測試場景4

 

步行

 

先前的場景關注的是靜止測量情況
，但在本場景中，測試人員以低速（大約每分鍾50步）沿一個方向均勻移動。如圖6所示，PPG信(xin)號(hao)中(zhong)混(hun)合(he)了(le)心(xin)率(lv)與(yu)步(bu)伐(fa)，各(ge)種(zhong)聲(sheng)道(dao)的(de)總(zong)和(he)顯(xian)示(shi)的(de)信(xin)號(hao)非(fei)常(chang)模(mo)糊(hu)。雖(sui)然(ran)在(zai)紅(hong)光(guang)信(xin)號(hao)場(chang)中(zhong)無(wu)法(fa)計(ji)算(suan)明(ming)確(que)的(de)心(xin)率(lv)，但(dan)算(suan)法(fa)在(zai)紅(hong)外(wai)信(xin)號(hao)中(zhong)找(zhao)到(dao)一(yi)個(ge)擬(ni)合(he)的(de)心(xin)率(lv)。然(ran)而(er)

，由(you)於(yu)波(bo)動(dong)很(hen)大(da)和(he)矩(ju)陣(zhen)的(de)置(zhi)信(xin)度(du)很(hen)低(di)
，來(lai)自(zi)加(jia)速(su)度(du)計(ji)的(de)附(fu)加(jia)運(yun)動(dong)數(shu)據(ju)將(jiang)非(fei)常(chang)有(you)用(yong)，特(te)別(bie)是(shi)因(yin)為(wei)到(dao)目(mu)前(qian)為(wei)止(zhi)，測(ce)量(liang)僅(jin)在(zai)較(jiao)低(di)步(bu)行(xing)速(su)度(du)下(xia)進(jin)行(xing)。

 

測試場景5

 

跑步和跳躍

 

場景5不是測量均勻運動，而是短跑和跳躍以一定的間隔交替進行。現在可以非常清楚地識別運動偽像，算法很難隔離出正確的心率
，如圖7所示。需要運動傳感器提供支持似乎是不可避免的。

 

為了更好地評估對運動傳感器的需求，場景5測試了使用和不使用加速度計兩種情況下的測量技術。圖8顯示了無校正加速度計數據（左）和有校正加速度計數據（右）的加性頻譜的比較。在識別心率時可以看到信號明顯改善，如果沒有加速度計的支持，這是不可能的。

 

從(cong)測(ce)試(shi)案(an)例(li)中(zhong)可(ke)以(yi)得(de)出(chu)結(jie)論(lun)
，在(zai)大(da)多(duo)數(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)
，心(xin)率(lv)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)耳(er)塞(sai)中(zhong)集(ji)成(cheng)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)非(fei)常(chang)精(jing)確(que)地(di)加(jia)以(yi)確(que)定(ding)。在(zai)局(ju)部(bu)或(huo)慢(man)速(su)平(ping)移(yi)運(yun)動(dong)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，心(xin)率(lv)甚(shen)至(zhi)可(ke)以(yi)在(zai)不(bu)使(shi)用(yong)加(jia)速(su)度(du)計(ji)數(shu)據(ju)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)加(jia)以(yi)確(que)定(ding)。然(ran)而(er)，在(zai)突(tu)然(ran)和(he)快(kuai)速(su)運(yun)動(dong)的(de)極(ji)限(xian)情(qing)況(kuang)下(xia)，與(yu)運(yun)動(dong)校(xiao)正(zheng)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)也(ye)能(neng)釋(shi)讀(du)數(shu)據(ju)。在(zai)所(suo)有(you)情(qing)況(kuang)下(xia)
，紅(hong)外(wai)信(xin)號(hao)均(jun)強(qiang)於(yu)紅(hong)光(guang)信(xin)號(hao)。

 

與手腕測量相比，耳朵中的信號更強

，因此測量精度可以達到更高水平。此外
，使用紅光或紅外光可以測量血氧水平。

 

結論

 

總(zong)之(zhi)，功(gong)能(neng)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)也(ye)已(yi)證(zheng)明(ming)，耳(er)朵(duo)測(ce)量(liang)非(fei)常(chang)有(you)前(qian)途(tu)。測(ce)量(liang)裝(zhuang)置(zhi)也(ye)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)更(geng)好(hao)的(de)機(ji)械(xie)集(ji)成(cheng)來(lai)改(gai)進(jin)
，並(bing)加(jia)以(yi)擴(kuo)展(zhan)來(lai)實(shi)現(xian)額(e)外(wai)的(de)測(ce)量(liang)。這(zhe)樣(yang)
，加(jia)速(su)度(du)計(ji)還(hai)可(ke)用(yong)於(yu)跌(die)倒(dao)檢(jian)測(ce)和(he)步(bu)態(tai)識(shi)別(bie)
，從(cong)而(er)為(wei)客(ke)戶(hu)創(chuang)造(zao)更(geng)多(duo)價(jia)值(zhi)。

 

 

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