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(tu)3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。

 

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。

 

來源：EETOP TI社區