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光學(xué)心率傳感器的測(cè)量原理

璟琰乀 ? 來源:傳感器技術(shù) ? 作者:傳感器技術(shù) ? 2020-11-04 11:48 ? 次閱讀

隨著生活節(jié)奏的加快,工作壓力的加大,越來越多的人開始注重健身,如此一來,可穿戴健身追蹤設(shè)備就變得很流行。如果仔細(xì)觀察,會(huì)發(fā)現(xiàn)身邊已經(jīng)有很多朋友開始使用這類設(shè)備,或用于健身或用于減肥,這些設(shè)備可以記錄健身數(shù)據(jù),方便用戶跟蹤健身進(jìn)度。用戶能夠一直關(guān)注自己的行動(dòng)曲線。

目前,市面上的健身追蹤器已經(jīng)進(jìn)展到了第二代甚至第三代,昔日最原始的計(jì)步器已經(jīng)被升級(jí)版設(shè)備所替代,更新的設(shè)備配備測(cè)高計(jì)和加速度計(jì)等,幾乎可以追蹤一切行為,從用戶爬了多少個(gè)臺(tái)階到用戶昨晚的睡眠質(zhì)量如何等,基本全面覆蓋。

光學(xué)心率傳感器的測(cè)量原理

光電容積脈搏波描記法,這個(gè)名字讀起來實(shí)在是高端,其實(shí)說簡單點(diǎn)就是利用光測(cè)量脈搏的一種技術(shù):血液是紅色的,反射紅光,吸收綠光。穿戴設(shè)備通過光學(xué)心率傳感器檢測(cè)特定時(shí)間手腕處流通的血液量。心臟跳動(dòng)的一瞬,手腕處流通的血液量增加,吸收更多綠光;而心跳間隙,吸收的綠光就少一些。LED光每秒閃動(dòng)數(shù)百次,計(jì)算出每分鐘的心跳次數(shù),也就是心率。

當(dāng)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(zhuǎn)換成電信號(hào)再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),簡化過程:光--》 電 --》 數(shù)字信號(hào)

大多數(shù)設(shè)備都是把綠光作為傳感器光源,之所以選擇綠光主要是考慮到一下幾個(gè)特點(diǎn):

1. 皮膚的黑色素會(huì)吸收大量波長較短的波;

2. 皮膚上的水份也會(huì)吸收大量的UV和IR部分的光;

3. 進(jìn)入皮膚組織的綠光(500nm)——黃光(600nm)大部分會(huì)被紅細(xì)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(cè)量光源。早起多數(shù)采用紅光為光源,隨著進(jìn)一步的研究和對(duì)比,綠光作為光源得到的信號(hào)更好,信噪比也比其他光源好些,所以現(xiàn)在大部分穿戴設(shè)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(chǎn)品會(huì)根據(jù)情況自動(dòng)使用換綠光、紅光和IR多種光源。

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

當(dāng)光照透過皮膚組織然后再反射到光敏傳感器時(shí)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(duì)光的吸收是基本不變的(前提是測(cè)量部位沒有大幅度的運(yùn)動(dòng)),但是血液不同,由于動(dòng)脈里有血液的流動(dòng),那么對(duì)光的吸收自然也有所變化。當(dāng)我們把光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)時(shí),正是由于動(dòng)脈對(duì)光的吸收有變化而其他組織對(duì)光的吸收基本不變,得到的信號(hào)就可以分為直流DC信號(hào)和交流AC信號(hào)。提取其中的AC信號(hào),就能反應(yīng)出血液流動(dòng)的特點(diǎn)。我們把這種技術(shù)叫做光電容積脈搏波描記法PPG。

光學(xué)心率傳感器的作用

穿戴設(shè)備的大熱,使得心率測(cè)量隨之大為盛行。而當(dāng)前的心率測(cè)量無非于兩方面的作用:

一是反應(yīng)我們的身體健康狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能與心臟有關(guān)的問題。

二是對(duì)于健身愛好者的運(yùn)動(dòng)指導(dǎo),通過了解心率狀況以便對(duì)鍛煉強(qiáng)度進(jìn)行控制,避免身體“吃不消”。

也許,對(duì)一個(gè)心率正常的人來說,追蹤心率的意義不大。但相信隨著移動(dòng)心率測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,便攜式心率設(shè)備終將在我們的生活中發(fā)揮舉足輕重的作用。

光學(xué)式心率傳感器到底有多準(zhǔn)?

外媒曾測(cè)試了幾款主流的心率監(jiān)測(cè)手表及腕帶,并將數(shù)據(jù)與Polar V800及Suunto Ambit3兩款心率帶所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試者同時(shí)佩戴智能手表/腕帶和心率帶,進(jìn)行數(shù)次多公里的慢跑運(yùn)動(dòng),然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行最終對(duì)比。

Polar心率帶與Garmin Forerunner225運(yùn)動(dòng)手表心率數(shù)據(jù)對(duì)比

Polar心率帶(橙色)與阿迪達(dá)斯miCoach運(yùn)動(dòng)手表(藍(lán)色)心率數(shù)據(jù)對(duì)比

Suunto心率帶(橙色)與Basis Peak(藍(lán)色)心率數(shù)據(jù)對(duì)比

首先,是Polar心率帶與Garmin Forerunner 225運(yùn)動(dòng)手表的對(duì)比,可以看到曲線圖前端擁有較大差異,而在跑步中途、心率逐漸平穩(wěn)的狀態(tài)下,錯(cuò)誤率約為10%。而阿迪達(dá)斯miCoach運(yùn)動(dòng)手表的準(zhǔn)確率約為86%,錯(cuò)誤率為14%;Basis Peak則最不準(zhǔn)確,平均錯(cuò)誤率達(dá)到了25%。

不過,測(cè)試方也表示,這并非一項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的測(cè)試,基礎(chǔ)是建立在心率帶在不運(yùn)動(dòng)、或慢跑時(shí)更為準(zhǔn)確。

顯然,非官方和醫(yī)療級(jí)別的測(cè)試均說明,目前采用光學(xué)心率傳感器的智能手表、腕帶、手機(jī)的準(zhǔn)確性并不是100%,畢竟人體是一個(gè)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。不過,此前也有媒體稱,Aapple Watch在與心率帶的測(cè)試中獲得了99%的數(shù)據(jù)同步率,證明其光學(xué)心率傳感器擁有極高的準(zhǔn)確性,這可能是該領(lǐng)域的一個(gè)進(jìn)步。

影響光電式心率傳感器設(shè)備測(cè)量的主要因素

光線干擾

事實(shí)上,光電式心率測(cè)量設(shè)備最大的技術(shù)障礙是如何將生物特征信號(hào)從干擾中分離出來,特別是運(yùn)動(dòng)干擾。不幸的是,當(dāng)把光線射入一個(gè)人的皮膚時(shí),只有一小部分光量子返回給傳感器,并且收集的所有光量子,只有百分之一或千分之一是由心臟收縮的血流量調(diào)節(jié)的,剩下的都分散在非搏動(dòng)性生理物質(zhì)上,例如皮膚、肌肉、肌腱等等。因此,當(dāng)這些非搏動(dòng)性生理物質(zhì)四處移動(dòng),比如在鍛煉或者日常生活活動(dòng)中,由此導(dǎo)致的光線隨著時(shí)間變化運(yùn)動(dòng)躁動(dòng)分散是很難從光線隨著真實(shí)血流量的分散中區(qū)分出來的。周圍光線干擾還加劇這個(gè)問題的嚴(yán)重性,比如隨著時(shí)間的變化,太陽光的干擾可以完全滲透到光電探測(cè)器中,甚至創(chuàng)造出近似生理性質(zhì)的脈動(dòng)信號(hào)。

膚色

人類擁有非常多種不同的漂亮膚色,多到以至于菲氏量表為膚色數(shù)值分類和對(duì)紫外線的反應(yīng)而提供了7個(gè)類型的標(biāo)準(zhǔn)。不同的膚色對(duì)光的吸收是不同的,因此每一種膚色的特點(diǎn)在于都有不同的吸光圖譜。那么,這意味著光電式心率測(cè)量設(shè)備傳感器捕獲的光的強(qiáng)度和波長是取決于穿戴傳感器的人的膚色的。例如,深色皮膚吸收綠色光較多,這也表明了為什么大多數(shù)設(shè)備采用綠色LED作為光線發(fā)射器,限制了透過深色皮膚準(zhǔn)確測(cè)量心率的能力的問題。這同樣暴露出透過紋身的皮膚測(cè)量心率的問題,這也是蘋果被人們?cè)嵅〉摹凹y身門”,手腕有紋身的蘋果手表用戶發(fā)現(xiàn)顯示屏上的數(shù)據(jù)顯示非常微弱,甚至沒有。

交叉問題

光電式心率監(jiān)測(cè)器存在由于周期性活動(dòng)期間的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的交叉干擾方面的問題,這個(gè)問題面臨的最大的挑戰(zhàn)是這種活動(dòng)帶來持續(xù)性的相同重復(fù)的動(dòng)作。這點(diǎn)在記錄慢跑和跑步期間的步伐頻率時(shí)最常見,因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)通常與心跳頻率(140-180下/步數(shù)每分鐘)處于同一個(gè)基本區(qū)間里。許多光電式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備面臨的這個(gè)問題使得運(yùn)算法則很容易將通過光電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄入的步伐速率錯(cuò)誤解讀成心率。這就是為人所知的“交叉問題”,因?yàn)樵趫D表上查看這些數(shù)據(jù)時(shí),當(dāng)心率和步伐速率發(fā)生重疊,許多光電式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備傾向于鎖定步伐速率并將其顯示為心率,盡管心率可能會(huì)在重疊后發(fā)生巨大改變。這個(gè)交叉干擾的問題在蘋果表上體現(xiàn)很明顯。

和其他腕部的光電式心率測(cè)量設(shè)備技術(shù)相比,很明顯蘋果表在“交叉”時(shí)顯示的心率監(jiān)測(cè)失敗,標(biāo)簽1到4人的步伐速率和心率相似,蘋果的數(shù)字信號(hào)不能將它們區(qū)分開來。第2處交叉有超過兩分鐘把心率讀成了步伐速率。

傳感器在人體上的位置

設(shè)備在人體上使用時(shí)面臨的獨(dú)有的挑戰(zhàn)是位置的不同會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生顯著的區(qū)別。最主要集中在三個(gè)部位:

1、耳朵--在音頻耳塞里

2、胳膊--在上臂臂章上部或者下臂上

3、手腕--在智能手表或者運(yùn)動(dòng)追蹤器上

事實(shí)表明,腕部是最不能做到精確測(cè)量的部位之一。因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域(肌肉、肌腱、骨頭等等)會(huì)產(chǎn)生更高的光線干擾,并且血管結(jié)構(gòu)有高度的變異性。前臂部位被認(rèn)為是更好的選擇,因?yàn)樵谀抢锏钠つw表面有更高的血管密度。然而,對(duì)于光電式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備來說,耳朵是至今為止被認(rèn)為最佳的部位。因?yàn)槟抢镏挥熊浌呛兔?xì)血管,即使身體在運(yùn)動(dòng)也不會(huì)移動(dòng)太多,因此大大減少了必須被過濾的光線的干擾。特別是,密集的動(dòng)脈集合存在于抗耳屏耳和外耳之間。

上圖表明生物識(shí)別耳機(jī)和胸帶都能很好的排列,而腕部的光電式心率測(cè)量設(shè)備則做不到。

低灌注

灌注是身體將血液運(yùn)送到毛細(xì)血管床的過程。在膚色上,不同種族之間灌注的水平是有極大差別的,像肥胖、糖尿病、心臟疾病和動(dòng)脈疾病等問題都會(huì)降低血液灌注水平。低水平灌注,特別是在四肢上,會(huì)對(duì)光電式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備形成挑戰(zhàn),因?yàn)樾盘?hào)和干擾的比率可能會(huì)大幅降低,低水平灌注和低水平的血流信號(hào)是相關(guān)聯(lián)的。不幸的是,低水平灌注在當(dāng)今社會(huì)太常見了。所以,這也是一個(gè)很大的問題。幸運(yùn)的是,在大多數(shù)由于低水平灌注導(dǎo)致光電式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備失敗的案例中,心臟信號(hào)會(huì)在幾分鐘的熱身后重新恢復(fù),即開始動(dòng)脈血流流入毛細(xì)血管和小動(dòng)脈的新循環(huán)。

光學(xué)式心率傳感器使用時(shí)的注意要點(diǎn)

盡管現(xiàn)在市場上絕大部分的心率測(cè)量穿戴設(shè)備都采用的是PPG的測(cè)量原理,無論是從測(cè)量還是使用上來看都比較方便。但唯獨(dú)在測(cè)量精度、穩(wěn)定性方面卻時(shí)常表現(xiàn)得不盡如人意,誤差較大。

在腕帶式心率測(cè)量設(shè)備的使用過程中,通常會(huì)要求攜帶者佩戴嚴(yán)實(shí),以避免漏光而使得環(huán)境光線對(duì)測(cè)量產(chǎn)生干擾。

此外,皮膚的顏色、毛發(fā)和汗液也多多少少會(huì)對(duì)測(cè)量造成影響。一般來說,膚色越深的人光線越是難以穿透。而膚色越淺的人,反射光則在明亮的光束下又越容易散掉。為此,我們也從用戶反饋中窺得其中端倪。一位Samsung Gear 2的黑人用戶表示:膚色深的人根本用不了!我膚色還不算最深的,但是設(shè)備卻沒有一次能正常工作。而當(dāng)我把傳感器移到指尖(手上膚色較淺的地方),設(shè)備就能好好運(yùn)作。

影響光學(xué)心率測(cè)量設(shè)備精度的還有另一個(gè)重要因素,那就是測(cè)量點(diǎn)的選擇。由于腕部毛細(xì)血管狹窄,當(dāng)血液循環(huán)至此時(shí),流速已經(jīng)慢了下來,無法真實(shí)反映及時(shí)心率。從上面的一個(gè)例子不難發(fā)現(xiàn),人體指尖也是準(zhǔn)確測(cè)量心率的一個(gè)絕佳位置。甚至有實(shí)驗(yàn)顯示,在指尖處測(cè)量心率的精度要比手腕處高。這主要是因?yàn)橹讣庥幸粭l直通心臟的動(dòng)脈血管,血液的流速緊隨心臟每一次的怦動(dòng)。而指尖皮膚呈半透明,有利于光的穿透,這進(jìn)一步方便了光學(xué)傳感器在指尖的讀數(shù)。

責(zé)任編輯:haq

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