用于生物计量可穿着设备的光学心率传感器.docx

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1、用于生物计量可穿着设备的光学心率传感器导语：本文是主题为“用于生物计量可穿着设备的光学心率传感器三篇系列文章的第一篇。本篇着重介绍这些传感器系统的工作原理和通过它们可以测量什么。 本文是主题为“用于生物计量可穿着设备的光学心率三篇系列文章的第一篇。本篇着重介绍这些传感器系统的工作原理和通过它们可以测量什么。 大局部可穿着设备采用光电容积脉搏波描记法(PPG)来测量心率及其他生物计量指标。PPG是一种将光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，光学心率传感器基于以下工作原理：当血流动力发生变化时，例如血脉搏率(心率)或者血容积(心输出量)发生变化时，进入人体的光会发生可预见

2、的散射。下列图1介绍了光学心率传感器的主要元件和根本工作原理。 图1：光学心率传感器的根本构造与运行 光学心率传感器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)-这些元件捕捉穿着者折射的光，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-算法可以处理来自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。 光学心率传感器可以测量什么? 光学心率传感

3、器可生成测量心率的PPG波形并将该心率数据作为根底生物计量值，但是利用PPG波形可以测量的对象远不止于此。尽管很难获得和维护准确的PPG测量结果(我们将在下一篇具体阐述它)，但是假如您可以成功获得准确的PPG测量结果，它将发挥强大的作用。高品质PPG信号是当今市场需求的大量生物计量的根底。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。 图2：典型的PPG波形 下面我们进一步具体解读某些光学心率传感器可以测得的结果： 呼吸率-休息时的呼吸率越低，通常这说明身体状况越好。 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。 血氧程度(Sp

4、O2)-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，可用作压力程度和不同心脏问题的指标。 血压-通过PPG传感器信号，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才能，十分是在濒于死亡时流经全身毛细血管床的才能。由于PPG传感器可跟踪血液流动，所以可以测量血流相对灌注率及血液灌注程度的变化。 心效率-这是心脑血管安康和身体状况的另一个指标，一般来讲，它测量的是心脏每搏的做成效率。 光学心率传感器带来的挑战 设计可穿着设备上的光学心率传感器的难度很高，由于设计方法会受到人体运动的很大

5、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讲明了您在设计光学心率传感器时可能面临的局部主要挑战。 图3：集成光学心率传感器的主要挑战 光力学 下面进一步介绍有关PPG传感器集成的光力学考虑事项： 光力学耦合-在传感器与人体之间是否可以高效进展双向光导与耦合?使血流信号最大化和向传感器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，由于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

6、较少的伪影。 在体育锻炼或者身体运动经过中，诸如皮肤与传感器之间的位移量等机械力学作用是否最小?这对很多佩戴可穿着设备进展活动的常见情况都是个问题，比方跑步、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具体信息： 算法是否在多元化的人群中进展过验证?这一点很重要，只有进展过此类验证才能保证设备可以适应多种肤色、不同性别、不同体型和安康状况而正常运行。 算法是否有抵抗多种类型运动噪音的强健性?算法必须可以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者开车等日常行为。 算法是否可以持续改良，以便可以处理更多用例和新型生物计量?这种技术和可穿着设备市场正在迅速开展，您必须不断创新，才可知足不断变化的客户需求。