光學(xué)心率傳感器的工作原理與應(yīng)用說(shuō)明

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。

圖 1：光學(xué)心率傳感器的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行

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。