【了不起的芯片】智能手表：你的血氧，芯片知道

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這一期，我們聊一聊智能手表的那些事兒。

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十年前，智能手環(huán)還只能實(shí)現(xiàn)計(jì)步器功能。今天的智能手表已經(jīng)進(jìn)化到了“想怎么練，都奉陪”的地步。心率監(jiān)測(cè)只是標(biāo)配，有的設(shè)備還具有FDA批準(zhǔn)的心電圖檢測(cè)。甚至還有新冠病毒感染目前剛轉(zhuǎn)為“乙類乙管”下，對(duì)于自我健康檢測(cè)十分有用的──血氧監(jiān)測(cè)功能！

雖說智能手環(huán)/手表作為非醫(yī)規(guī)級(jí)產(chǎn)品，和醫(yī)規(guī)級(jí)設(shè)備的差距不是一丁半點(diǎn)。但方便日常隨手使用的小小手環(huán)，是如何實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的呢？靠的是穿戴設(shè)備中的光學(xué)心率傳感器芯片。

正常人的心跳和脈搏相對(duì)應(yīng)，一次心跳對(duì)應(yīng)一次脈搏，所以古人常通過扣觸手腕處脈搏的跳動(dòng)來了解心率。

那手表又是如何測(cè)量皮膚之下脈搏的跳動(dòng)的呢？通過可實(shí)現(xiàn)光電容積描記法（Photoplethysmographic，簡(jiǎn)稱PPG）的芯片。簡(jiǎn)單來說，就是基于物質(zhì)對(duì)光的吸收原理，通過智能手環(huán)/手表的綠色LED燈搭配感光光電二極管，用光檢測(cè)一段時(shí)間血管的擴(kuò)張收縮。由于血液是紅色的，它可以反射紅光而吸收綠光，在心臟跳動(dòng)時(shí)，血液流量增多，綠光的吸收量會(huì)隨之變大；處于心臟跳動(dòng)的間隙時(shí)血流會(huì)減少，吸收的綠光也會(huì)隨之降低。因此，根據(jù)血液的吸光度，心率檢測(cè)芯片可以測(cè)量出心率。其中，靜息心率的水平也可作為個(gè)人評(píng)估自己是否感染新冠病毒的參考。

絕大部分智能手環(huán)/手表都采用了光電法監(jiān)測(cè)心率，它們的明顯特征是傳感器部位配備了綠色LED燈，并且發(fā)生器和光敏接收器位于所測(cè)部位的同一側(cè)，主要測(cè)量反射回來的光。這種方法測(cè)量心率的優(yōu)點(diǎn)是非常簡(jiǎn)便，對(duì)測(cè)量部位的要求也很低，只要組織比較平滑且皮下脂肪少的地方幾乎都可以測(cè)量，例如額頭、手腕。因此，大部分智能手環(huán)/手表等穿戴設(shè)備都采用這種心率傳感器芯片來測(cè)量心率，并完美解決心率監(jiān)測(cè)與佩戴舒適的雙重要求。

那為什么光電傳感器采用的都是綠光呢？因?yàn)槠つw的黑色素會(huì)吸收大量波長較短的波，而皮膚上的水份也會(huì)吸收大量的紫外和紅外部分光，只有進(jìn)入皮膚組織的綠光(500nm)-黃光(600nm)大部分會(huì)被血液中的紅細(xì)胞吸收，因此綠光作為心率測(cè)量光源時(shí)得到的信號(hào)更好，信噪比也比其他光源好些，現(xiàn)在大部設(shè)備都采用綠光為光源。但如果考慮到皮膚情況的不同（膚色、汗水），高端產(chǎn)品（人民幣玩家）也會(huì)根據(jù)情況自動(dòng)使用換綠光、紅光和紅外等多種光源。

PPG不僅僅能測(cè)量心率，還可以測(cè)量血氧飽和度、血壓、呼吸率。在獲取不同的PPG指標(biāo)時(shí)，使用不同的波長即可。

血氧飽和度監(jiān)測(cè)的原理也是基于光學(xué)反射原理。人體所消耗的氧氣主要來源于血紅蛋白所攜帶的氧，通常用血氧飽和度來描述血液中的氧含量，即血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白的容量占全部可結(jié)合血紅蛋白容量的百分比。作為呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)，血氧檢測(cè)在新冠病毒感染后，進(jìn)行檢測(cè)也顯得尤為重要。

智能手環(huán)和家用指夾式血氧檢測(cè)儀都是通過光電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的，不同于手環(huán)佩戴在手腕上并接受反射光，它通過指套式來接收透射光。由于血液里的氧合血紅蛋白對(duì)紅光吸收量較多，對(duì)紅外光吸收較少，而血紅蛋白對(duì)紅外光吸收較多，因此通過對(duì)比發(fā)射和接受的紅光、紅外光強(qiáng)度變化，得到光的吸收量，再結(jié)合處理器芯片的內(nèi)置算法便可大致計(jì)算得到氧合血紅蛋白以及未結(jié)合氧氣的血紅蛋白，進(jìn)而得到經(jīng)皮血氧飽和度(SpO2)。不過，智能手環(huán)的血氧功能目前仍有待研發(fā)出更準(zhǔn)確的測(cè)量。

除了光電容積描記法，還有心電信號(hào)測(cè)量法（ECG）。

由于人的心臟在每個(gè)心動(dòng)周期（從一次心跳的起始到下一次心跳的起始，心血管系統(tǒng)所經(jīng)歷的過程）中，心房、心室相繼興奮，伴隨著無數(shù)心肌細(xì)胞的相繼動(dòng)作，從而會(huì)引起電位變化，這些生物電的變化稱為心電。每次心跳，人的體表都會(huì)有微小的電極變化，捕捉到這些周期性的電極變化，再經(jīng)過心電ECG專用芯片的算法就可以還原出心率跳動(dòng)的頻率，來實(shí)現(xiàn)心率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

心電信號(hào)測(cè)量法與醫(yī)院常用的心電圖檢測(cè)類似，不同的是醫(yī)院需要在心口、腳上、手腕上都加上電極，以測(cè)量更多的數(shù)據(jù)。但智能手環(huán)/手表所需連接的電極片少了很多。相較醫(yī)院心電圖為10個(gè)電極（12導(dǎo)聯(lián)），由于這種方式下測(cè)量出來的心電圖是非標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)的，因此現(xiàn)階段還沒有診斷價(jià)值。

常使用的反射式PPG，其核心器件光學(xué)心率傳感器是多傳感器的集成，主要包含光發(fā)射器、光電二極管、模擬前端、加速度計(jì)等多個(gè)元器件?？v使硬件性能已登峰造極，但可穿戴設(shè)備的PPG測(cè)量受各項(xiàng)干擾因素影響大，并且不同人群的身體狀況都不一樣，佩戴是否牢固、周圍電磁干擾、皮膚狀態(tài)不同（包括體毛、紋身、傷疤等因素）、漏光、環(huán)境光的干擾、動(dòng)態(tài)光的偽像……都會(huì)增加可穿戴設(shè)備精準(zhǔn)測(cè)量的難度。

盡管智能手表的精準(zhǔn)度不能媲美醫(yī)療級(jí)的心率監(jiān)測(cè)設(shè)備，但通過先進(jìn)的健康傳感器芯片，便攜的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可以給消費(fèi)者長期的日常健康數(shù)據(jù)參考，并且智能提醒站立、走動(dòng)和運(yùn)動(dòng)……幫助人們?nèi)轿欢床熳陨斫】禒顩r。

芯片技術(shù)一個(gè)又一個(gè)的一小步，帶動(dòng)了健康的一大步，讓我們?nèi)粘６寄芨惺芗夹g(shù)創(chuàng)新帶來的進(jìn)步。新思科技作為芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具EDA和IP的全球領(lǐng)導(dǎo)者，我們相信芯片的技術(shù)革新能夠?yàn)楫?dāng)下和未來創(chuàng)造出更多像這樣的硬核科技的溫度和善意，一同奔向“科技向善”的數(shù)智時(shí)代~

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