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光学心率传感器基本工作原理和主要元件


  来源: 与非网 时间:2018-09-03 编辑:思扬
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本篇着重介绍这些传感器系统的工作原理和通过它们可以测量什么。

大部分可穿戴设备采用光电容积脉搏波描记法(PPG)来测量心率及其他生物计量指标。PPG是一种将光照进皮肤并测量因血液流动而产生的光散射的方法。该方法非常简单,光学心率传感器基于以下工作原理:当血流动力发生变化时,例如血脉搏率(心率)或血容积(心输出量)发生变化时,进入人体的光会发生可预见的散射。下图1介绍了光学心率传感器的主要元件和基本工作原理。



图 1:光学心率传感器的基本结构与运行


光学心率传感器使用四个主要技术元件来测量心率:

● 光发射器——通常至少由两个光发射二极管(LED)构成,它们会将光波照进皮肤内部。

● 光电二极管和模拟前端(AFE)——这些元件捕获穿戴者折射的光,并将这些模拟信号转换成数字信号用于计算可实际应用的心率数据。

● 加速计——加速计可测量运动,与光信号结合运用,作为PPG算法的输入。

● 算法——算法能够处理来自AFE和加速计的信号,然后将处理后的信号叠加到PPG波形上,由此可生成持续的、运动容错心率数据和其他生物计量数据。

光学心率传感器可以测量什么?

光学心率传感器可生成测量心率的PPG波形并将该心率数据作为基础生物计量值,但是利用PPG波形可以测量的对象远不止于此。尽管很难取得和维护精确的PPG测量结果(我们将在下一篇详细论述它),但是如果您能够成功获得精确的PPG测量结果,它将发挥强大的作用。高品质PPG信号是当今市场需求的大量生物计量的基础。图2是经过简化的PPG信号,该信号代表了多个生物计量的测量结果。



图 2:典型的PPG波形


下面我们进一步详细解读某些光学心率传感器可以测得的结果:

● 呼吸率——休息时的呼吸率越低,通常这表明身体状况越好。

● 最大摄氧量(VO2max)——VO2测量人体可以摄入的最大氧气量,是人们广泛使用的有氧耐力指标。

● 血氧水平(SpO2)——是指血液中的氧气浓度。

● R-R间期(心率变异率)——R-R间期是血脉冲的间隔时间;一般而言,心跳间隔时间越长越好。R-R间期分析,可用作压力水平和不同心脏问题的指标。

● 血压——通过PPG传感器信号,无需使用血压计即可测量血压。

● 血液灌注——灌注是指人体推动血液流经循环系统的能力,特别是在濒于死亡时流经全身毛细血管床的能力。因为PPG传感器可跟踪血液流动,所以可以测量血流相对灌注率及血液灌注水平的变化。

● 心效率——这是心脑血管健康和身体状况的另一个指标,一般来说,它测量的是心脏每搏的做功效率。


光学心率传感器带来的挑战

设计可穿戴设备上的光学心率传感器的难度很高,因为设计方法会受到人体运动的很大影响。为了弥补这一点,您需要强大的光力学和信号提取算法。图3说明了您在设计光学心率传感器时可能面临的部分主要挑战。



图 3:集成光学心率传感器的主要挑战


光力学

关键词:光学 传感器 信号    浏览量:4248

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