光学心率传感器的主要元件及基本工作原理解析.doc

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1、光学心率传感器的主要元件及基本工作原理解析　　　　图1：光学心率传感器的基本结构与运行　　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。光学心率传感器可以测量什么？　　光学心率

2、传感器可生成测量心率的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，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　　下面我们进一步详细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（SpO

3、2）-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。　　光学心率传感器带来的挑战　　设计可穿戴设备上的光学心率传感器的难度很高，因为设计方法会

4、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传感器时可能面临的部分主要挑战。　　　　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能够高效进行双向光导与耦合？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，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

5、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，诸如皮肤与传感器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

6、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。　　我希望大家能够通过本篇博客了解一些有关PPG传感器系统工作原理及可测量内容的知识。本系列的下一篇博文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。