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作者：德州儀器Ryan Kraudel 本文是主題為“用于生物計量可穿戴設備的光學(xué)心率傳感器”三篇系列文章的第一篇。本篇著(zhù)重介紹這些傳感器系統的工作原理和通過(guò)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(lái)測量心率及其他生物計量指標。PPG是一種將光照進(jìn)皮膚并測量因血液流動(dòng)而產(chǎn)生的光散射的方法。該方法非常簡(jiǎn)單，光學(xué)心率傳感器基于以下工作原理：當血流動(dòng)力發(fā)生變化時(shí)，例如血脈搏率（心率）或血容積（心輸出量）發(fā)生變化時(shí)，進(jìn)入人體的光會(huì )發(fā)生可預見(jiàn)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構與運行 光學(xué)心率傳感器使用四個(gè)主要技術(shù)元件來(lái)測量心率： • 光發(fā)射器 - 通常至少由兩個(gè)光發(fā)射二極管（LED）構成，它們會(huì )將光波照進(jìn)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(shí)際應用的心率數據。 • 加速計 - 加速計可測量運動(dòng)，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(lái)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(dòng)容錯心率數據和其他生物計量數據。 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(fā)揮強大的作用。高品質(zhì)PPG信號是當今市場(chǎng)需求的大量生物計量的基礎。圖2是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的PPG信號，該信號代表了多個(gè)生物計量的測量結果。
圖 2：典型的PPG波形 下面我們進(jìn)一步詳細解讀某些光學(xué)心率傳感器可以測得的結果： • 呼吸率 - 休息時(shí)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間期是血脈沖的間隔時(shí)間；一般而言，心跳間隔時(shí)間越長(cháng)越好。R-R間期分析，可用作壓力水平和不同心臟問(wèn)題的指標。 • 血壓 - 通過(guò)PPG傳感器信號，無(wú)需使用血壓計即可測量血壓。 • 血液灌注 - 灌注是指人體推動(dòng)血液流經(jīng)循環(huán)系統的能力，特別是在瀕于死亡時(shí)流經(jīng)全身毛細血管床的能力。因為PPG傳感器可跟蹤血液流動(dòng)，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(gè)指標，一般來(lái)說(shuō)，它測量的是心臟每搏的做功效率。 光學(xué)心率傳感器帶來(lái)的挑戰 設計可穿戴設備上的光學(xué)心率傳感器的難度很高，因為設計方法會(huì )受到人體運動(dòng)的很大影響。為了彌補這一點(diǎn)，您需要強大的光力學(xué)和信號提取算法。圖3說(shuō)明了您在設計光學(xué)心率傳感器時(shí)可能面臨的部分主要挑戰。
圖 3：集成光學(xué)心率傳感器的主要挑戰 光力學(xué) 下面進(jìn)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(jìn)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(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(cháng)？不同部位需要不同的波長(cháng)，因為各部位的生理構造不同，并且環(huán)境噪音對不同部位的影響不同。 • 設計是否使用了多個(gè)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(lèi)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(dòng)過(guò)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備進(jìn)行活動(dòng)的常見(jiàn)情況都是個(gè)問(wèn)題，比如跑步、慢跑和健身房鍛煉。 信號提取算法 下面進(jìn)一步介紹有關(guān)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(jìn)行過(guò)驗證？這一點(diǎn)很重要，只有進(jìn)行過(guò)此類(lèi)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(lèi)型運動(dòng)噪音的強健性？算法必須能夠在各種活動(dòng)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(kāi)車(chē)等日常行為。 • 算法是否能夠持續改進(jìn)，以便能夠處理更多用例和新型生物計量？這種技術(shù)和可穿戴設備市場(chǎng)正在迅速發(fā)展，您必須不斷創(chuàng )新，才可滿(mǎn)足不斷變化的客戶(hù)需求。 我希望大家能夠通過(guò)本篇博客了解一些有關(guān)PPG傳感器系統工作原理及可測量?jì)热莸闹R。本系列的下一篇博文將探討將這種技術(shù)集成到各類(lèi)設備（手表、健身手環(huán)和耳塞等）的最佳實(shí)踐。 |
