【導讀】本文是主題為“用於生物計量可穿戴設備的光學心率傳感器”三篇係列文章的第一篇。本篇著重介紹這些傳感器係統的工作原理和通過它們可以測量什麼。

 

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並測量因血液流動而產生的光散射的方法。該方法非常簡單，光學心率傳感器基於以下工作原理：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，並將這些模擬信號轉換成數字信號用於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，然後將處理後的信號疊加到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麼？

 

光學心率傳感器可生成測量心率的PPG波形並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於此。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

 

下麵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。

 

·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。

 

·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間期是血脈衝的間隔時間
；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髒問題的指標。

 

·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係統的能力，特別是在瀕於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
，它測量的是心髒每搏的做功效率。

 

光學心率傳感器帶來的挑戰

 

設she計ji可ke穿chuan戴dai設she備bei上shang的de光guang學xue心xin率lv傳chuan感gan器qi的de難nan度du很hen高gao，因yin為wei設she計ji方fang法fa會hui受shou到dao人ren體ti運yun動dong的de很hen大da影ying響xiang。為wei了le彌mi補bu這zhe一yi點dian，您nin需xu要yao強qiang大da的de光guang力li學xue和he信xin號hao提ti取qu算suan法fa。圖tu3說明了您在設計光學心率傳感器時可能麵臨的部分主要挑戰。

 

圖3：集成光學心率傳感器的主要挑戰

 

光力學

 

下麵進一步介紹有關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？使血流信號最大化和向傳感器施加噪音的環境噪音（如日光）最小化
，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
，並且環境噪音對不同部位的影響不同。

 

·設(she)計(ji)是(shi)否(fou)使(shi)用(yong)了(le)多(duo)個(ge)發(fa)射(she)器(qi)，它(ta)們(men)的(de)間(jian)距(ju)是(shi)否(fou)正(zheng)確(que)？發(fa)射(she)器(qi)的(de)間(jian)距(ju)很(hen)重(zhong)要(yao)

，正(zheng)確(que)布(bu)放(fang)才(cai)能(neng)確(que)保(bao)您(nin)測(ce)量(liang)到(dao)足(zu)夠(gou)量(liang)的(de)正(zheng)確(que)類(lei)型(xing)的(de)血(xue)流(liu)，且(qie)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)具(ju)有(you)較(jiao)少(shao)的(de)偽(wei)影(ying)。

 

·在(zai)體(ti)育(yu)鍛(duan)煉(lian)或(huo)身(shen)體(ti)運(yun)動(dong)過(guo)程(cheng)中(zhong)，諸(zhu)如(ru)皮(pi)膚(fu)與(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)之(zhi)間(jian)的(de)位(wei)移(yi)量(liang)等(deng)機(ji)械(xie)力(li)學(xue)作(zuo)用(yong)是(shi)否(fou)最(zui)小(xiao)？這(zhe)對(dui)許(xu)多(duo)佩(pei)戴(dai)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)進(jin)行(xing)活(huo)動(dong)的(de)常(chang)見(jian)情(qing)況(kuang)都(dou)是(shi)個(ge)問(wen)題(ti)
，比(bi)如(ru)跑(pao)步(bu)、慢跑和健身房鍛煉。

 

信號提取算法

 

下麵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，隻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。

 

·suanfashifounenggouchixugaijin
，yibiannenggouchuligengduoyonglihexinxingshengwujiliang？zhezhongjishuhekechuandaishebeishichangzhengzaixunsufazhan，ninbixubuduanchuangxin
，caikemanzubuduanbianhuadekehuxuqiu。

 

我希望大家能夠通過本篇博客了解一些有關PPG傳感器係統工作原理及可測量內容的知識。本係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）的最佳實踐。

 

其他資源

 

·查看TI的光電二極管感應產品組合。

 

·查看可穿戴設備的相關資源和參考設計。

 

作者：德州儀器Ryan Kraudel