光學(xué)傳感器 心率：光學(xué)心率傳感器的作用

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(jiǎn)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(jiǎn)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以下幾個(gè)特點(diǎn)：
1.皮膚的黑色素會(huì)吸收大量波長(zhǎng)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(zhǎng)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。早期多數(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)。
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(zhǎng)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。

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(chǎng)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。
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)。
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光學(xué)傳感器 心率：光學(xué)心率傳感器的基本工作原理

首先，我們先了解下什么叫做PPG，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用中，PPG（photoplethysmograph）即利用光電容積描記技術(shù)進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)心率的檢測(cè)，是紅外無損檢測(cè)技術(shù)的一種。它是利用光電傳感器檢測(cè)經(jīng)過人體血液和組織吸收后的反射光強(qiáng)度的不同，記錄出血管容積在心動(dòng)周期內(nèi)的變化，從而得出脈搏波形心率。
那么，光學(xué)心率傳感器是什么，光學(xué)心率傳感器的工作原理是當(dāng)血脈搏率或血容積發(fā)生變化時(shí)，進(jìn)入人體的光會(huì)發(fā)生可預(yù)見的散射，這就是PPG的將光照進(jìn)皮膚并測(cè)量因血液流動(dòng)而產(chǎn)生光散射的方法。

光學(xué)心率傳感器的組成，主要由四個(gè)技術(shù)元件來測(cè)量心率：
光發(fā)射器：由兩個(gè)或以上的發(fā)光二極管組成，主要將光波照進(jìn)皮膚內(nèi)部。
光電二極管和模擬前端：捕捉折射光，將模擬信號(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)：測(cè)量運(yùn)動(dòng)，與光信號(hào)結(jié)合，作為PPG算法的輸入。
算法：處理來自模擬前端和加速計(jì)的信號(hào)，然后疊加到PPG波形上，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)心率傳感器測(cè)量領(lǐng)域：
呼吸率：人體運(yùn)動(dòng)與休息的呼吸率的數(shù)據(jù)輸出。
血氧水平：可測(cè)量血液中的氧氣濃度。
攝氧量：可測(cè)量人體可以攝入的最大氧氣量，有氧耐力指標(biāo)。
心率變異率：血脈沖間隔時(shí)間，也稱R-R間期，可用作壓力水平和不同心臟問題的指標(biāo)。
心效率：心腦血管健康和身體狀況指標(biāo)，測(cè)量心臟每搏的做功功率。
血壓：通過PPG傳感器信號(hào)，測(cè)量血壓指標(biāo)。
血液灌注：可跟蹤血流相對(duì)灌注率及血液灌注水平變化。
同時(shí)，光學(xué)心率傳感器也帶來了許多機(jī)遇和挑戰(zhàn)，能否完善應(yīng)用于光力學(xué)，能否正確的根據(jù)各部位的生理構(gòu)造的不同而測(cè)量出中正確的結(jié)果，算法能否適應(yīng)不同環(huán)境的影響等等，都需要一一探究驗(yàn)證。

光學(xué)傳感器 心率：光學(xué)心率測(cè)量原理

光學(xué)心率測(cè)量原理

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簡(jiǎn)介：
? ? ? 在這個(gè)什么都要和“智能”串聯(lián)的年代，除了我們司空見款的手機(jī)外也就是一些智能手表和手環(huán)之類的穿戴設(shè)備了。這些智能穿戴設(shè)備集成了很多的傳感器，由于脈搏或者心率是生命體征的重要參數(shù)之一，所以心率率測(cè)量可算是高端入門產(chǎn)品必備的一個(gè)技能，正好最近有機(jī)會(huì)好好研究心率測(cè)量的技術(shù)，所以趁熱打鐵總結(jié)一下光學(xué)測(cè)量心率的相關(guān)知識(shí)。

? ? ? 在網(wǎng)上搜集了很多資料，目前心率測(cè)量有以下幾種傳感器技術(shù)（僅供參考）

1. 心電ECG

2. 光電容積脈搏波描記法PPG?

3. 生物阻抗 bioimpedance

4. 攝像頭Camera RGB 、wifi等技術(shù)

? ? ? 在上述的幾種方法中，最被人們熟悉的應(yīng)該就是心電圖。在醫(yī)療領(lǐng)域，通常使用心電圖（ECG）測(cè)量生理電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)心率和心臟活動(dòng)的檢測(cè)。但是由于測(cè)量ECG信號(hào)，常常要在身體多個(gè)部位連接傳感器電極，在胸部和四肢之間最多可以連接10個(gè)電極。ECG信號(hào)雖然精準(zhǔn)并且信息豐富，但是考慮到穿戴設(shè)備的便攜性和功能簡(jiǎn)單所以并沒有在穿戴設(shè)備上廣泛采用ECG技術(shù)。目前情況ECG還是在一些專業(yè)領(lǐng)域里面使用例如醫(yī)院、體育等方面的研究。

? ? ? 第二種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(jiǎn)單點(diǎn)就是利用光測(cè)量脈搏的一種技術(shù)。這種技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用，本文也是主要介紹這種技術(shù)。

目前市場(chǎng)上能看到采用這種技術(shù)的穿戴設(shè)備就有：AppleWatch、三星 Galaxy Gear S2、Moto 360、Microsoft Band 等....（其他廠家就省略了）。

? ? ? 第三種生物阻抗傳感器測(cè)量方法，目前市場(chǎng)上看到的好像只有Jawbone 的UP3了， 對(duì)于此技術(shù)網(wǎng)上的資料特別的少。不過通過親身體驗(yàn)試戴JawboneUP3，感覺這種技術(shù)應(yīng)該比光學(xué)測(cè)心率的技術(shù)難度大但是應(yīng)該更精準(zhǔn)更可靠。最后的Camera RGB和wifi都是是MIT研究出來的新技術(shù)，看起來都非常高端，MIT威武啊。其中一個(gè)是通過我們手機(jī)的攝像頭就能檢測(cè)出人體的體征變化，這個(gè)技術(shù)非常有意思并且也很高端，感興趣的可以看視頻介紹。另一個(gè)則是通過我們家里的wifi信號(hào)就能測(cè)，也甚是高端。當(dāng)然這兩種還沒有看到上市的產(chǎn)品所以就不多說了。

光電容積脈搏波描記法PPG?
? ? ?光學(xué)心率傳感器，如果帶過上述那些智能手表或者智能手環(huán)的朋友來說也不算稀奇的事情。就拿AppleWatch來說，測(cè)量心率時(shí)底部的表盤會(huì)發(fā)出綠色的燈光，并且測(cè)量的時(shí)候手腕最好保持不動(dòng)否側(cè)會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。接下來將詳細(xì)介紹光學(xué)心率測(cè)量的原理。

? ? ? 如下兩張圖是光學(xué)心率傳感器。圖a是LED沒有發(fā)光的時(shí)候中間是一個(gè)光敏二極管，圖b是傳感器的LED發(fā)光的時(shí)候。

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圖a ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖b

? ? ? ? 那么為什么通過LED燈發(fā)光就能測(cè)量心率呢？

? ? ? ? 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(jiǎn)化過程：光--> 電 --> 數(shù)字信號(hào)

? ? ? ? 為什么大多數(shù)傳感器都是采用的綠光呢？

我們先看看光譜的特點(diǎn)，從紫外線到紅外線的波長(zhǎng)是越來越長(zhǎng)的。

? ? ?之所以選擇綠光作為光源是考慮到一下·幾個(gè)特點(diǎn)：

? ? ? ?1. 皮膚的黑色素會(huì)吸收大量波長(zhǎng)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(zhǎng)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？

? ? ?下圖就解釋了核心原理

? ? ? ? ?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。

? ? ? ? 下圖是PPG信號(hào)和ECG信號(hào)的對(duì)比

實(shí)際測(cè)量手指的PPG信號(hào)如下：

? ? ? ?所以，只要測(cè)得到的PPG信號(hào)比較理想算出心率也不算什么難事。但是事實(shí)總是殘酷的，由于測(cè)量部位的移動(dòng)、自然光、日光燈等等其他的干擾，最終測(cè)到的信號(hào)可能是下面的這種，所以要通過很多方法進(jìn)行濾波處理

對(duì)于PPG信號(hào)的處理，目前我知道的有兩種方法。一種是時(shí)域分析，即算出一定時(shí)間內(nèi)PPG信號(hào)的波峰個(gè)數(shù)，另一種是通過對(duì)PPG信號(hào)進(jìn)行FFT變換得到頻域的特點(diǎn)。

時(shí)域方法：

? ? ? ? ? 通過對(duì)原始的{PPG信號(hào)進(jìn)行濾波處理，得到一定時(shí)間內(nèi)的波峰個(gè)數(shù)，然后既可算出心率值

假設(shè)連續(xù)采樣5秒的時(shí)間，在5s內(nèi)的波峰個(gè)數(shù)為N，那么心率就是N*12 （這個(gè)相信大家都懂，就跟把脈一樣~）

頻域分析：

上面分析過，我們把血液流動(dòng)對(duì)光吸收轉(zhuǎn)變成了AC信號(hào)，如果對(duì)于進(jìn)行FFT變換，那么就能看到頻域的特點(diǎn)。如下圖就是對(duì)PPG信號(hào)的FFT轉(zhuǎn)變

? ? ? ? 上圖中的頻域圖，0Hz的信號(hào)很強(qiáng)，這部分是骨骼、肌肉等組織的DC信號(hào)，在1Hz附近有個(gè)相對(duì)比較突出的信號(hào)就是血液流動(dòng)轉(zhuǎn)變的AC信號(hào)。假設(shè)測(cè)得到的頻率f = 1.2Hz

那么心率HeartRate ?HR = f x60 = 1.2 x 60 = 72

最后再簡(jiǎn)單提一下血氧的測(cè)量，相比心率血氧測(cè)量難度較大而且精度不算太高。測(cè)量血氧的原理圖下圖所示

? ? ? 由于血液中含有的氧合血紅蛋白HbO2和血紅蛋白Hb存在一定的比例，簡(jiǎn)單說也就是含氧量吧。上面的圖表示了氧合血紅蛋白HbO2和血紅蛋白Hb對(duì)波長(zhǎng)600~1000nm的光吸收特性，從圖中可以看出上600~800nm間Hb的吸收系數(shù)更高，800~1000之間HbO2的吸收系數(shù)更高。所以可以利用紅光（600~800nm）和接近IR（800~1000nm）的光分別檢測(cè)HbO2和Hb的PPG信號(hào)，然后通過程序處理算出相應(yīng)的比值，這樣就得到了血氧值。

但是由于光源不同，直接利用紅光和接近IR的光進(jìn)行信號(hào)對(duì)比是不可靠的，因?yàn)榧t光和IR透過皮膚組織也會(huì)產(chǎn)生不同的吸收。下圖是紅光和IR透過皮膚的原始信號(hào)示意圖

? ? ? ?上面分析說過，DC部分是光透過皮膚組織轉(zhuǎn)換成的直流信號(hào)，AC是血液流動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換成的交流信號(hào)。由于皮膚組織對(duì)紅光和IR的吸收程度不同，DC部分自然也就不一樣。為了能共“公平對(duì)待”兩種光源的PPG信號(hào)，所以需要對(duì)原始信號(hào)處理一下。下圖示意了處理后的信號(hào)（DC部分相等）

通過一定的比例計(jì)算，公平對(duì)待Red和IR的PPG信號(hào)。這樣計(jì)算出來的Hb和HbO2比例才可靠。

本人水平有限，如有錯(cuò)誤歡迎大家指出錯(cuò)誤，相互學(xué)習(xí)！！

本文章參考文獻(xiàn)：

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光學(xué)傳感器 心率：提升光學(xué)心率傳感器的準(zhǔn)確度

提升光學(xué)心率傳感器的準(zhǔn)確度
搭載光學(xué)心率傳感器的Garmin腕表，是利用光線穿透皮膚來量測(cè)心率。這讓你不需佩戴其他外部的傳感器便可以輕松讀取心率數(shù)據(jù)。為確保獲取最準(zhǔn)確的心率值，請(qǐng)參照以下的指導(dǎo)方針。
確認(rèn)設(shè)備緊貼于手腕不松動(dòng)，但不可太緊以免影響血液循環(huán)
佩戴手表于手腕外側(cè)，遠(yuǎn)離腕骨
避免將手表配戴于黑色刺青上
確認(rèn)手表軟件為最新版(若有需要，使用Garmin Express進(jìn)行更新)
確認(rèn)綠光(LED)正常點(diǎn)亮
確認(rèn)硅膠遮光環(huán)沒有破損 (僅Forerunner225適用)
Garmin手腕式心率量測(cè)技術(shù) (ElevateTM) 的限制和準(zhǔn)確度
Garmin穿戴設(shè)備搭載的光學(xué)腕式心率監(jiān)測(cè)器是一項(xiàng)重要的工具，可以在任何時(shí)候提供用戶精確的心率數(shù)據(jù)，并維持一天24小時(shí)、一周7天的全時(shí)段監(jiān)測(cè)。但量測(cè)的頻率會(huì)隨著用戶的活動(dòng)程度而改變。當(dāng)你配戴Garmin光學(xué)式心率腕表進(jìn)行活動(dòng)時(shí)，由于光學(xué)傳感器會(huì)持續(xù)的監(jiān)控與量測(cè)，因此在某個(gè)時(shí)段區(qū)間內(nèi)心率監(jiān)測(cè)器會(huì)更頻繁的提供回饋數(shù)據(jù)。
雖然Garmin的手腕心率量測(cè)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)進(jìn)步，但仍有其局限性而導(dǎo)致在某些情況下的心率讀值不準(zhǔn)確。這些情形包含了使用者的個(gè)人身體特質(zhì)、與設(shè)備的適用性以及活動(dòng)類型與強(qiáng)度等因素。此心率數(shù)據(jù)不得用于醫(yī)療用途，也不得用于診斷、處理、治療或預(yù)防任何疾病。
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