光学心率传感器工作原理.doc

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1、光学心率传感器工作原理　　不少业内人士都认为未来可穿戴智能手表、手环需要向着更加专业化和细分化的应用领域发展，其中针对运动人群和健康检测就是两个很好的方向。那么我们不妨通过AppleWatch来了解一下光学心率监测的原理。Applewatch心率监测　　心率监测可以说是AppleWatch最具革命性的一大功能，它究竟是如何实现的？AppleWatch利用LED绿光和红外光，以及两种光传感器来检测心率。当其处于15摄氏度（59华氏度）以下的低温时，通过测量绿光的吸收状况来获取更为精准的数据。而高温环境下，比如用户正在健身房里挥汗如雨时，皮肤表面水分增

2、加，由于更多绿光已经被吸收掉，要检测皮下反射的绿光就比较困难，这时AppleWatch就转换到红外光模式。　　　　这种用于血流检测的光学技术，专业上称为“光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography）”，简称PPG。光电容积脉搏波描记法PPG　　就AppleWatch来说，测量心率时底部的表盘会发出绿色的灯光，并且测量的时候手腕最好保持不动否侧会影响测量结果。接下来将详细介绍光学心率测量的原理。　　如下两张图是光学心率传感器。图a是LED没有发光的时候中间是一个光敏二极管，图b是传感器的LED发光的时候。　　　　图a　　　　图b　

3、　那么为什么通过LED灯发光就能测量心率呢？　　当LED光射向皮肤，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转换成电信号再经过AD转换成数字信号，简化过程：光--->电--->数字信号　　　　为什么大多数传感器都是采用的绿光呢？　　我们先看看光谱的特点，从紫外线到红外线的波长是越来越长的。　　　　之所以选择绿光作为光源是考虑到一下·几个特点：　　1.皮肤的黑色素会吸收大量波长较短的波　　2.皮肤上的水份也会吸收大量的UV和IR部分的光　　3.进入皮肤组织的绿光（500nm）--黄光（600nm）大部分会被红细胞吸收　　4.红光和接近IR的光相比其他

4、波长的光更容易穿过皮肤组织　　5.血液要比其他组织吸收更多的光　　6.相比红光，绿（绿-黄）光能被氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收　　总体来说，绿光--红光能作为测量光源。早起多数采用红光为光源，随着进一步的研究和对比，绿光作为光源得到的信号更好，信噪比也比其他光源好些，所以现在大部分穿戴设备采用绿光为光源。但是考虑到皮肤情况的不用（肤色、汗水），高端产品会根据情况自动使用换绿光、红光和IR多种光源。　　虽然知道了上面的几个特点，但是还不足以弄清楚为什么通过光照就能测出心率、血氧等参数呢？　　下图就解释了核心原理　　　　当光照透过皮肤组织然后再反射到

5、光敏传感器时光照有一定的衰减的。像肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织等等对光的吸收是基本不变的（前提是测量部位没有大幅度的运动），但是血液不同，由于动脉里有血液的流动，那么对光的吸收自然也有所变化。当我们把光转换成电信号时，正是由于动脉对光的吸收有变化而其他组织对光的吸收基本不变，得到的信号就可以分为直流DC信号和交流AC信号。提取其中的AC信号，就能反应出血液流动的特点。我们把这种技术叫做光电容积脉搏波描记法PPG。　　文章参考Richard_LiuJH的博客