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用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器

本文摘要:大部分可穿着设备使用光电容积脉搏波用笔记法(PPG)来测量心率及其他生物计量指标。PPG是一种将光照入皮肤并测量因血液流动而产生的光衍射的方法。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,例如血脉搏亲率(心率)或血容积(心输出量)发生变化时,转入人体的光会再次发生可意识到的衍射。 右图1讲解了光学心率传感器的主要元件和基本工作原理。

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大部分可穿着设备使用光电容积脉搏波用笔记法(PPG)来测量心率及其他生物计量指标。PPG是一种将光照入皮肤并测量因血液流动而产生的光衍射的方法。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,例如血脉搏亲率(心率)或血容积(心输出量)发生变化时,转入人体的光会再次发生可意识到的衍射。

右图1讲解了光学心率传感器的主要元件和基本工作原理。图1:光学心率传感器的基本结构与运营光学心率传感器用于四个主要技术元件来测量心率:·光发射器-一般来说最少由两个光升空二极管(LED)包含,它们不会将光波照进皮肤内部。·光电二极管和仿真前端(AFE)-这些元件捕捉穿着者反射的光,并将这些模拟信号转换成数字信号用作计算出来可实际应用于的心率数据。

·加快计-加快计可测量运动,与光信号融合运用,作为PPG算法的输出。·算法-算法需要处置来自AFE和加快收的信号,然后将处置后的信号变换到PPG波形上,由此可分解持续的、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?光学心率传感器可分解测量心率的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。

尽管很难获得和确保准确的PPG测量结果(我们将在下一篇详尽阐述它),但是如果您需要顺利取得准确的PPG测量结果,它将充分发挥强劲的起到。高品质PPG信号是当今市场需求的大量生物计量的基础。图2是经过修改的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波形下面我们更进一步详尽理解某些光学心率传感器可以测出的结果:·排便亲率-睡觉时的排便率越较低,一般来说这指出身体状况就越好。·仅次于摄氧量(VO2max)–VO2测量人体可以摄取的仅次于氧气量,是人们普遍用于的有氧耐力指标。·血氧水平(SpO2)-是指血液中的氧气浓度。

·R-R间期(心率变异亲率)-R-R间期是血脉冲的间隔时间;一般而言,跳动间隔时间越长越好。R-R间期分析,可用于压力水平和有所不同心脏问题的指标。

·血压-通过PPG传感器信号,需要用于血压计才可测量血压。·血液灌入-灌入是指人体推展血液流经循环系统的能力,特别是在濒临丧生时流经全身毛细血管床的能力。因为PPG传感器可追踪血液流动,所以可以测量血流比较灌入率及血液灌入水平的变化。

·心效率-这是心脑血管身体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作功效率。光学心率传感器带给的挑战设计可穿着设备上的光学心率传感器的可玩性很高,因为设计方法不会受到人体运动的相当大影响。为了填补这一点,您必须强劲的光力学和信号萃取算法。

图3说明了您在设计光学心率传感器时有可能面对的部分主要挑战。图3:构建光学心率传感器的主要挑战光力学下面更进一步讲解有关PPG传感器构建的光力学考虑到事项:·光力学耦合-在传感器与人体之间否需要高效展开双向光导与耦合?使血流信号最大化和向传感器产生噪音的环境噪音(如日光)最小化,是其中的关键。·否为人体部位用于了准确的波长?有所不同部位必须有所不同的波长,因为各部位的生理结构有所不同,并且环境噪音对有所不同部位的影响有所不同。·设计否用于了多个发射器,它们的间距否准确?发射器的间距很最重要,准确布放才能确保您测量到充足量的准确类型的血流,且测量结果具备较较少的伪影。

·在体育锻炼或身体运动过程中,诸如皮肤与传感器之间的偏移量等机械力学起到否大于?这对许多配戴可穿着设备展开活动的少见情况都是个问题,比如跑步、跑步和健身房磨练。信号萃取算法下面更进一步讲解有关信号萃取考虑到事项的详细信息:·算法否在多元化的人群中展开过检验?这一点很最重要,只有展开过此类检验才能确保设备需要适应环境多种肤色、有所不同性别、有所不同体型和健康状况而长时间运营。

·算法否有抵抗多种类型运动噪音的强壮性?算法必需需要在各种活动期间长时间工作,还包括步行、跑步(高速平稳的跑步和间歇训练)、疾跑、健身房训练及点字或驾车等日常行为。·算法否需要持续改良,以便需要处置更加多用例和新型生物计量?这种技术和可穿着设备市场正在很快发展,您必需不断创新,才可符合大大变化的客户市场需求。我期望大家需要通过本篇博客理解一些有关PPG传感器系统工作原理及可测量内容的科学知识。

本系列的下一篇博文将探究将这种技术构建到各类设备(手表、健美手环和耳塞等)的最佳实践中。


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