本文是主题为“用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器”三篇系列文章的第一篇。本篇侧重介绍这些传感器体系的作业原理和经过它们可以丈量什么。
大部分可穿戴设备选用光电容积脉息波描记法(PPG)来丈量心率及其他生物计量目标。PPG是一种将光照进皮肤并丈量因血液活动而产生的光散射的办法。该办法十分简略，光学心率传感器根据以下作业原理：当血活动力产生改变时，例如血脉息率(心率)或血容积(心输出量)产生改变时，进入人体的光会产生可预见的散射。下图1介绍了光学心率传感器的首要元件和根本作业原理。
图 1：光学心率传感器的根本结构与运转
光学心率传感器运用四个首要技能元件来丈量心率：
· 光发射器 – 一般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。
· 光电二极管和模仿前端(AFE) – 这些元件捕获穿戴者折射的光，并将这些模仿信号转换成数字信号用于核算可实践运用的心率数据。
· 加快计 – 加快计可丈量运动，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和加快计的信号，然后将处理后的信号叠加到PPG波形上，由此可生成继续的、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丈量什么?
光学心率传感器可生成丈量心率的PPG波形并将该心率数据作为根底生物计量值，可是运用PPG波形可以丈量的目标远不止于此。虽然很难取得和保护准确的PPG丈量成果(咱们将在下一篇具体论说它)，可是如果您可以成功取得准确的PPG丈量成果，它将发挥强壮的效果。高品质PPG信号是当今商场需求的很多生物计量的根底。图2是经过简化的PPG信号，该信号代表了多个生物计量的丈量成果。
图 2：典型的PPG波形
下面咱们进一步具体解读某些光学心率传感器可以测得的成果：
· 呼吸率 – 歇息时的呼吸率越低，一般这表明身体状况越好。
· 最大摄氧量(VO2max)– VO2丈量人体可以摄入的最大氧气量，是人们广泛运用的有氧耐力目标。
· 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;一般来说，心跳间隔时间越长越好。R-R间期剖析，可用作压力水平缓不同心脏问题的目标。
· 血压 – 经过PPG传感器信号，无需运用血压计即可丈量血压。
· 血液灌注 – 灌注是指人体推进血液流经循环体系的才干，特别是在接近逝世时流经全身毛细血管床的才干。由于PPG传感器可盯梢血液活动，所以可以丈量血流相对灌注率及血液灌注水平的改变。
· 心功率 – 这是心脑血管健康和身体状况的另一个目标，一般来说，它丈量的是心脏每搏的做功功率。
光学心率传感器带来的应战
规划可穿戴设备上的光学心率传感器的难度很高，由于规划办法会遭到人体运动的很大影响。为了补偿这一点，您需求强壮的光力学和信号提取算法。图3说明晰您在规划光学心率传感器时或许面对的部分首要应战。
图 3：集成光学心率传感器的首要应战
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，是其间的要害。
· 是否为人体部位运用了正确的波长?不同部位需求不同的波长，由于各部位的生理结构不同，而且环境噪音对不同部位的影响不同。
· 规划是否运用了多个发射器，它们的距离是否正确?发射器的距离很重要，正确布放才干确保您丈量到满意量的正确类型的血流，且丈量成果具有较少的伪影。
· 在体育练习或身体运动过程中，比方皮肤与传感器之间的位移量等机械力学效果是否最小?这对许多佩带可穿戴设备进行活动的常见状况都是个问题，比方跑步、慢跑和健身房练习。
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行过验证?这一点很重要，只要进行过此类验证才干确保设备可以习惯多种肤色、不同性别、不同体型和健康状况而正常运转。
· 算法是否有反抗多种类型运动噪音的健旺性?算法有必要可以在各种活动期间正常作业，包含步行、跑步(高速安稳的跑步和间歇练习)、疾跑、健身房练习及打字或开车等日常行为。
· 算法是否可以继续改善，以便可以处理更多用例和新式生物计量?这种技能和可穿戴设备商场正在迅速发展，您有必要不断创新，才可满意不断改变的客户需求。
我期望我们可以经过本篇博客了解一些有关PPG传感器体系作业原理及可丈量内容的常识。本系列的下一篇博文将讨论将这种技能集成到各类设备(手表、健身手环和耳塞等)的最佳实践。
