光學心率傳感器工作原理

不少業(yè)內人士都認為未來可穿戴智能手表、手環(huán)需要向著更加專業(yè)化和細分化的應用領域發(fā)展，其中針對運動人群和健康檢測就是兩個很好的方向。那么我們不妨通過Apple Watch來了解一下光學心率監(jiān)測的原理。

Apple watch心率監(jiān)測

心率監(jiān)測可以說是Apple Watch最具革命性的一大功能，它究竟是如何實現(xiàn)的？Apple Watch利用LED綠光和紅外光，以及兩種光傳感器來檢測心率。當其處于15攝氏度（59華氏度）以下的低溫時，通過測量綠光的吸收狀況來獲取更為精準的數(shù)據(jù)。而高溫環(huán)境下，比如用戶正在健身房里揮汗如雨時，皮膚表面水分增加，由于更多綠光已經(jīng)被吸收掉，要檢測皮下反射的綠光就比較困難，這時Apple Watch就轉換到紅外光模式。

這種用于血流檢測的光學技術，專業(yè)上稱為“光電容積脈搏波描記法（photoplethysmography）”，簡稱PPG。

光電容積脈搏波描記法PPG

就AppleWatch來說，測量心率時底部的表盤會發(fā)出綠色的燈光，并且測量的時候手腕最好保持不動否側會影響測量結果。接下來將詳細介紹光學心率測量的原理。

如下兩張圖是光學心率傳感器。圖a是LED沒有發(fā)光的時候中間是一個光敏二極管，圖b是傳感器的LED發(fā)光的時候。

圖a ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖b

那么為什么通過LED燈發(fā)光就能測量心率呢？

當LED光射向皮膚，透過皮膚組織反射回的光被光敏傳感器接受并轉換成電信號再經(jīng)過AD轉換成數(shù)字信號，簡化過程：光---> 電 ---> 數(shù)字信號

為什么大多數(shù)傳感器都是采用的綠光呢？

我們先看看光譜的特點，從紫外線到紅外線的波長是越來越長的。

之所以選擇綠光作為光源是考慮到一下·幾個特點：

1. 皮膚的黑色素會吸收大量波長較短的波

2. 皮膚上的水份也會吸收大量的UV和IR部分的光

3. 進入皮膚組織的綠光（500nm）-- 黃光（600nm）大部分會被紅細胞吸收

4. 紅光和接近IR的光相比其他波長的光更容易穿過皮膚組織

5. 血液要比其他組織吸收更多的光

6. 相比紅光，綠（綠-黃）光能被氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收

總體來說，綠光-- 紅光能作為測量光源。早起多數(shù)采用紅光為光源，隨著進一步的研究和對比，綠光作為光源得到的信號更好，信噪比也比其他光源好些，所以現(xiàn)在大部分穿戴設備采用綠光為光源。但是考慮到皮膚情況的不用（膚色、汗水），高端產品會根據(jù)情況自動使用換綠光、紅光和IR多種光源。

雖然知道了上面的幾個特點，但是還不足以弄清楚為什么通過光照就能測出心率、血氧等參數(shù)呢？

下圖就解釋了核心原理

當光照透過皮膚組織然后再反射到光敏傳感器時光照有一定的衰減的。像肌肉、骨骼、靜脈和其他連接組織等等對光的吸收是基本不變的（前提是測量部位沒有大幅度的運動），但是血液不同，由于動脈里有血液的流動，那么對光的吸收自然也有所變化。當我們把光轉換成電信號時，正是由于動脈對光的吸收有變化而其他組織對光的吸收基本不變，得到的信號就可以分為直流DC信號和交流AC信號。提取其中的AC信號，就能反應出血液流動的特點。我們把這種技術叫做光電容積脈搏波描記法PPG。

文章參考Richard_LiuJH的博客