本文是主題為“用于生物計量可穿戴設備的光學心率傳感器”三篇系列文章的第一篇。本篇著重介紹這些傳感器系統的工作原理和通過它們可以測量什么。
大部分可穿戴設備采用光電容積脈搏波描記法（PPG）來測量心率及其他生物計量指標。PPG是一種將光照進皮膚并測量因血液流動而產生的光散射的方法。該方法非常簡單，光學心率傳感器基于以下工作原理：當血流動力發生變化時，例如血脈搏率（心率）或血容積（心輸出量）發生變化時，進入人體的光會發生可預見的散射。下圖1介紹了光學心率傳感器的主要元件和基本工作原理。
圖 1：光學心率傳感器的基本結構與運行
光學心率傳感器使用四個主要技術元件來測量心率：
• 光發射器 - 通常至少由兩個光發射二極管（LED）構成，它們會將光波照進皮膚內部。
• 光電二極管和模擬前端（AFE） - 這些元件捕獲穿戴者折射的光，并將這些模擬信號轉換成數字信號用于計算可實際應用的心率數據。
• 加速計 - 加速計可測量運動，與光信號結合運用，作為PPG算法的輸入。
• 算法 - 算法能夠處理來自AFE和加速計的信號，然后將處理后的信號疊加到PPG波形上，由此可生成持續的、運動容錯心率數據和其他生物計量數據。
光學心率傳感器可以測量什么？
光學心率傳感器可生成測量心率的PPG波形并將該心率數據作為基礎生物計量值，但是利用PPG波形可以測量的對象遠不止于此。盡管很難取得和維護精確的PPG測量結果（我們將在下一篇詳細論述它），但是如果您能夠成功獲得精確的PPG測量結果，它將發揮強大的作用。高品質PPG信號是當今市場需求的大量生物計量的基礎。圖2是經過簡化的PPG信號，該信號代表了多個生物計量的測量結果。
圖 2：典型的PPG波形
下面我們進一步詳細解讀某些光學心率傳感器可以測得的結果：
• 呼吸率 - 休息時的呼吸率越低，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。
• 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間；一般而言，心跳間隔時間越長越好。R-R間期分析，可用作壓力水平和不同心臟問題的指標。
• 血壓 - 通過PPG傳感器信號，無需使用血壓計即可測量血壓。
• 血液灌注 - 灌注是指人體推動血液流經循環系統的能力，特別是在瀕于死亡時流經全身毛細血管床的能力。因為PPG傳感器可跟蹤血液流動，所以可以測量血流相對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指標，一般來說，它測量的是心臟每搏的做功效率。
光學心率傳感器帶來的挑戰
設計可穿戴設備上的光學心率傳感器的難度很高，因為設計方法會受到人體運動的很大影響。為了彌補這一點，您需要強大的光力學和信號提取算法。圖3說明了您在設計光學心率傳感器時可能面臨的部分主要挑戰。
圖 3：集成光學心率傳感器的主要挑戰
光力學
下面進一步介紹有關PPG傳感器集成的光力學考慮事項：
• 光力學耦合 - 在傳感器與人體之間是否能夠高效進行雙向光導與耦合？使血流信號最大化和向傳感器施加噪音的環境噪音（如日光）最小化，是其中的關鍵。
• 是否為人體部位使用了正確的波長？不同部位需要不同的波長，因為各部位的生理構造不同，并且環境噪音對不同部位的影響不同。
• 設計是否使用了多個發射器，它們的間距是否正確？發射器的間距很重要，正確布放才能確保您測量到足夠量的正確類型的血流，且測量結果具有較少的偽影。
• 在體育鍛煉或身體運動過程中，諸如皮膚與傳感器之間的位移量等機械力學作用是否最小？這對許多佩戴可穿戴設備進行活動的常見情況都是個問題，比如跑步、慢跑和健身房鍛煉。
信號提取算法
下面進一步介紹有關信號提取考慮事項的詳細信息：
• 算法是否在多元化的人群中進行過驗證？這一點很重要，只有進行過此類驗證才能保證設備能夠適應多種膚色、不同性別、不同體型和健康狀況而正常運行。
• 算法是否有抵抗多種類型運動噪音的強健性？算法必須能夠在各種活動期間正常工作，包括步行、跑步（高速穩定的跑步和間歇訓練）、疾跑、健身房訓練及打字或開車等日常行為。
• 算法是否能夠持續改進，以便能夠處理更多用例和新型生物計量？這種技術和可穿戴設備市場正在迅速發展，您必須不斷創新，才可滿足不斷變化的客戶需求。
我希望大家能夠通過本篇博客了解一些有關PPG傳感器系統工作原理及可測量內容的知識。本系列的下一篇博文將探討將這種技術集成到各類設備（手表、健身手環和耳塞等）的最佳實踐。
其他資源
• 查看TI的光電二極管感應產品組合。
• 查看可穿戴設備的相關資源和參考設計。
