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用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器

作者:Ryan Kraudel时间:2018-08-23来源:德州仪器收藏

本文是主题为“用于生物计量”三篇系列文章的第一篇。本篇着重介绍这些系统的工作原理和通过它们可以测量什么。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201808/391003.htm

大部分采用电容积脉搏波描记法PPG来测量及其他生物计量指标。PPG是一种将照进皮肤并测量因血液流动而产生的光散射的方法。该方法非常简单,光学基于以下工作原理:当血流动力发生变化时,例如血脉搏率(心率)或血容积(心输出量)发生变化时,进入人体的光会发生可预见的散射。下图1介绍了光学心率的主要元件和基本工作原理。

1光学心率的基本结构与运行

光学心率使用四个主要技术元件来测量心率:

·光发射器 - 通常至少由两个光发射二极管LED构成,它们会将光波照进皮肤内部。

·光电二极管和模拟前端AFE - 这些元件捕获穿戴者折射的光,并将这些模拟信号转换成数字信号用于计算可实际应用的心率数据。

·加速计 - 加速计可测量运动,与光信号结合运用,作为PPG算法的输入。

·算法 - 算法能够处理来自AFE和加速计的信号,然后将处理后的信号叠加到PPG波形上,由此可生成持续的、运动容错心率数据和其他生物计量数据。

光学心率可以测量什么?

光学心率可生成测量心率的PPG波形并将该心率数据作为基础生物计量值,但是利用PPG波形可以测量的对象远不止于此。尽管很难取得和维护精确的PPG测量结果(我们将在下一篇详细论述它),但是如果您能够成功获得精确的PPG测量结果,它将发挥强大的作用。高品PPG信号是当今市场需求的大量生物计量的基础。图2是经过简化的PPG信号,该信号代表了多个生物计量的测量结果。

2典型的PPG波形

下面我们进一步详细解读某些光学心率可以测得的结果:

·呼吸率 - 休息时的呼吸率越低,通常这表明身体状况越好。

·最大摄氧量VO2max– VO2测量人体可以摄入的最大氧气量是人们广泛使用的有氧耐力指标。

·血氧水平SpO2 - 是指血液中的氧气浓度。

·R-R间期(心率变异率)- R-R间期是血脉冲的间隔时间;一般而言,心跳间隔时间越长越好。R-R间期分析,可用作压力水平和不同心脏问题的指标。

·血压 - 通过PPG信号,无需使用血压计即可测量血压。

·血液灌注 - 灌注是指人体推动血液流经循环系统的能力,特别是在濒于死亡时流经全身毛细血管床的能力。因为PPG可跟踪血液流动,所以可以测量血流相对灌注率及血液灌注水平的变化。

·心效率 - 这是心脑血管健康和身体状况的另一个指标,一般来说,它测量的是心脏每搏的做功效率。

光学心率带来的挑战

设计上的光学心率的难度很高,因为设计方法会受到人体运动的很大影响。为了弥补这一点,您需要强大的光力学和信号提取算法。图3说明了您在设计光学心率时可能面临的部分主要挑战。

3集成光学心率的主要挑战

光力学

下面进一步介绍有关PPG集成的光力学考虑事项:

·光力学耦合 - 在与人体之间是否能够高效进行双向光导与耦合?使血流信号最大化和向施加噪音的环境噪音(如日光)最小化,是其中的关键。

·是否为人体部位使用了正确的波长?不同部位需要不同的波长,因为各部位的生理构造不同,并且环境噪音对不同部位的影响不同。

·设计是否使用了多个发射器,它们的间距是否正确?发射器的间距很重要,正确布放才能确保您测量到足够量的正确类型的血流,且测量结果具有较少的伪影。

·在体育锻炼或身体运动过程中,诸如皮肤与之间的位移量等机械力学作用是否最小?这对许多佩戴可穿戴设备进行活动的常见情况都是个问题,比如跑步、慢跑和健身房锻炼。

信号提取算法

下面进一步介绍有关信号提取考虑事项的详细信息:

·算法是否在多元化的人群中进行过验证?这一点很重要,只有进行过此类验证才能保证设备能够适应多种肤色、不同性别、不同体型和健康状况而正常运行。

·算法是否有抵抗多种类型运动噪音的强健性?算法必须能够在各种活动期间正常工作,包括步行、跑步(高速稳定的跑步和间歇训练)、疾跑、健身房训练及打字或开车等日常行为。

·算法是否能够持续改进,以便能够处理更多用例和新型生物计量?这种技术和可穿戴设备市场正在迅速发展,您必须不断创新,才可满足不断变化的客户需求。

   通过这篇介绍大家了解一些有关PPG系统工作原理及可测量内容的知识。本系列的下一篇文章将探讨将这种技术集成到各类设备(手表、健身手环和耳塞等)的最佳实践。




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