傳感器系統(tǒng)的工作原理

作者：德州儀器Ryan Kraudel

本文是主題為“用于生物計(jì)量可穿戴設(shè)備的光學(xué)心率傳感器”三篇系列文章的第一篇。本篇著重介紹這些傳感器系統(tǒng)的工作原理和通過(guò)它們可以測(cè)量什么。

大部分可穿戴設(shè)備采用光電容積脈搏波描記法（PPG）來(lái)測(cè)量心率及其他生物計(jì)量指標(biāo)。PPG是一種將光照進(jìn)皮膚并測(cè)量因血液流動(dòng)而產(chǎn)生的光散射的方法。該方法非常簡(jiǎn)單，光學(xué)心率傳感器基于以下工作原理：當(dāng)血流動(dòng)力發(fā)生變化時(shí)，例如血脈搏率（心率）或血容積（心輸出量）發(fā)生變化時(shí)，進(jìn)入人體的光會(huì)發(fā)生可預(yù)見(jiàn)的散射。下圖1介紹了光學(xué)心率傳感器的主要元件和基本工作原理。

光學(xué)心率傳感器使用四個(gè)主要技術(shù)元件來(lái)測(cè)量心率：

光發(fā)射器 - 通常至少由兩個(gè)光發(fā)射二極管（LED）構(gòu)成，它們會(huì)將光波照進(jìn)皮膚內(nèi)部。

光電二極管和模擬前端（AFE） - 這些元件捕獲穿戴者折射的光，并將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)用于計(jì)算可實(shí)際應(yīng)用的心率數(shù)據(jù)。

加速計(jì) - 加速計(jì)可測(cè)量運(yùn)動(dòng)，與光信號(hào)結(jié)合運(yùn)用，作為PPG算法的輸入。

算法 - 算法能夠處理來(lái)自AFE和加速計(jì)的信號(hào)，然后將處理后的信號(hào)疊加到PPG波形上，由此可生成持續(xù)的、運(yùn)動(dòng)容錯(cuò)心率數(shù)據(jù)和其他生物計(jì)量數(shù)據(jù)。

光學(xué)心率傳感器可以測(cè)量什么？

光學(xué)心率傳感器可生成測(cè)量心率的PPG波形并將該心率數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)生物計(jì)量值，但是利用PPG波形可以測(cè)量的對(duì)象遠(yuǎn)不止于此。盡管很難取得和維護(hù)精確的PPG測(cè)量結(jié)果（我們將在下一篇詳細(xì)論述它），但是如果您能夠成功獲得精確的PPG測(cè)量結(jié)果，它將發(fā)揮強(qiáng)大的作用。高品質(zhì)PPG信號(hào)是當(dāng)今市場(chǎng)需求的大量生物計(jì)量的基礎(chǔ)。圖2是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的PPG信號(hào)，該信號(hào)代表了多個(gè)生物計(jì)量的測(cè)量結(jié)果。

圖2：典型的PPG波形

下面我們進(jìn)一步詳細(xì)解讀某些光學(xué)心率傳感器可以測(cè)得的結(jié)果：

呼吸率 - 休息時(shí)的呼吸率越低，通常這表明身體狀況越好。

最大攝氧量（VO2max）– VO2測(cè)量人體可以攝入的最大氧氣量，是人們廣泛使用的有氧耐力指標(biāo)。

血氧水平（SpO2） - 是指血液中的氧氣濃度。

R-R間期（心率變異率）- R-R間期是血脈沖的間隔時(shí)間；一般而言，心跳間隔時(shí)間越長(zhǎng)越好。R-R間期分析，可用作壓力水平和不同心臟問(wèn)題的指標(biāo)。

血壓 - 通過(guò)PPG傳感器信號(hào)，無(wú)需使用血壓計(jì)即可測(cè)量血壓。

血液灌注 - 灌注是指人體推動(dòng)血液流經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)的能力，特別是在瀕于死亡時(shí)流經(jīng)全身毛細(xì)血管床的能力。因?yàn)镻PG傳感器可跟蹤血液流動(dòng)，所以可以測(cè)量血流相對(duì)灌注率及血液灌注水平的變化。

心效率 - 這是心腦血管健康和身體狀況的另一個(gè)指標(biāo)，一般來(lái)說(shuō)，它測(cè)量的是心臟每搏的做功效率。

光學(xué)心率傳感器帶來(lái)的挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備上的光學(xué)心率傳感器的難度很高，因?yàn)樵O(shè)計(jì)方法會(huì)受到人體運(yùn)動(dòng)的很大影響。為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，您需要強(qiáng)大的光力學(xué)和信號(hào)提取算法。圖3說(shuō)明了您在設(shè)計(jì)光學(xué)心率傳感器時(shí)可能面臨的部分主要挑戰(zhàn)。

圖3：集成光學(xué)心率傳感器的主要挑戰(zhàn)

光力學(xué)

下面進(jìn)一步介紹有關(guān)PPG傳感器集成的光力學(xué)考慮事項(xiàng)：

光力學(xué)耦合 - 在傳感器與人體之間是否能夠高效進(jìn)行雙向光導(dǎo)與耦合？使血流信號(hào)最大化和向傳感器施加噪音的環(huán)境噪音（如日光）最小化，是其中的關(guān)鍵。

是否為人體部位使用了正確的波長(zhǎng)？不同部位需要不同的波長(zhǎng)，因?yàn)楦鞑课坏纳順?gòu)造不同，并且環(huán)境噪音對(duì)不同部位的影響不同。

設(shè)計(jì)是否使用了多個(gè)發(fā)射器，它們的間距是否正確？發(fā)射器的間距很重要，正確布放才能確保您測(cè)量到足夠量的正確類(lèi)型的血流，且測(cè)量結(jié)果具有較少的偽影。

在體育鍛煉或身體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，諸如皮膚與傳感器之間的位移量等機(jī)械力學(xué)作用是否最?。窟@對(duì)許多佩戴可穿戴設(shè)備進(jìn)行活動(dòng)的常見(jiàn)情況都是個(gè)問(wèn)題，比如跑步、慢跑和健身房鍛煉。

信號(hào)提取算法

下面進(jìn)一步介紹有關(guān)信號(hào)提取考慮事項(xiàng)的詳細(xì)信息：

算法是否在多元化的人群中進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證？這一點(diǎn)很重要，只有進(jìn)行過(guò)此類(lèi)驗(yàn)證才能保證設(shè)備能夠適應(yīng)多種膚色、不同性別、不同體型和健康狀況而正常運(yùn)行。

算法是否有抵抗多種類(lèi)型運(yùn)動(dòng)噪音的強(qiáng)健性？算法必須能夠在各種活動(dòng)期間正常工作，包括步行、跑步（高速穩(wěn)定的跑步和間歇訓(xùn)練）、疾跑、健身房訓(xùn)練及打字或開(kāi)車(chē)等日常行為。

算法是否能夠持續(xù)改進(jìn)，以便能夠處理更多用例和新型生物計(jì)量？這種技術(shù)和可穿戴設(shè)備市場(chǎng)正在迅速發(fā)展，您必須不斷創(chuàng)新，才可滿足不斷變化的客戶(hù)需求。

我希望大家能夠通過(guò)本篇博客了解一些有關(guān)PPG傳感器系統(tǒng)工作原理及可測(cè)量?jī)?nèi)容的知識(shí)。本系列的下一篇博文將探討將這種技術(shù)集成到各類(lèi)設(shè)備（手表、健身手環(huán)和耳塞等）的最佳實(shí)踐。

審核編輯：何安