jianshenzhuizongqikeyiceliangxinlvheqitashengmingtizhengyibangzhuyonghushedingrichangduanlianhuodong。jianshenzhuizongqitongchangneizhiyundongchuanganqi，keyijianceyundongmoshiyibangzhuqufenbuxing、跑步與遊泳，因此它也可以用作計步器。為在日常生活中提供舒適和便利，測量通常在手腕上進行，因為傳感器可以放置在手表、珠zhu寶bao和he腕wan帶dai等deng配pei飾shi中zhong。但dan是shi，此ci位wei置zhi對dui測ce量liang質zhi量liang而er言yan並bing非fei最zui佳jia。心xin率lv檢jian測ce會hui受shou到dao運yun動dong偽wei像xiang的de限xian製zhi而er難nan以yi進jin行xing，因yin為wei肌ji肉rou質zhi量liang相xiang對dui較jiao大da，會hui限xian製zhi與yu動dong脈mai的de接jie觸chu。

 

相(xiang)比(bi)之(zhi)下(xia)
，耳(er)朵(duo)更(geng)適(shi)合(he)進(jin)行(xing)光(guang)學(xue)心(xin)率(lv)測(ce)量(liang)。耳(er)垂(chui)已(yi)被(bei)醫(yi)學(xue)專(zhuan)家(jia)用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)血(xue)氧(yang)水(shui)平(ping)。但(dan)到(dao)目(mu)前(qian)為(wei)止(zhi)，這(zhe)尚(shang)未(wei)在(zai)消(xiao)費(fei)者(zhe)層(ceng)麵(mian)上(shang)得(de)到(dao)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)

，因(yin)為(wei)基(ji)於(yu)耳(er)朵(duo)的(de)測(ce)量(liang)設(she)備(bei)受(shou)空(kong)間(jian)限(xian)製(zhi)
，並(bing)且(qie)功(gong)耗(hao)非(fei)常(chang)高(gao)，需(xu)要(yao)大(da)電(dian)池(chi)。但(dan)隨(sui)著(zhe)高(gao)集(ji)成(cheng)度(du)、更低功耗芯片的推出，ADIgongsiyikaifachujiejuezhexiewentidejiejuefangan。xianzaikeyijiangyouxiaoyunzuodeshengmingtizhengceliangqijianjichengdaodianxingderuershierjizhong。xiangyingdudegaijinkaipilequanxindeyingyonglingyuhekenengxing。benwenjieshaobingpinggulegaixitong。

 

基礎測量方法是光學性的。測量使用來自最多三個LED的短脈衝信號。LED電流最高可達370 mA，最小脈衝寬度為1μs。LED的de最zui佳jia波bo長chang根gen據ju測ce量liang位wei置zhi和he測ce量liang方fang法fa來lai選xuan擇ze。手shou腕wan上shang隻zhi能neng測ce量liang表biao麵mian動dong脈mai
，故gu而er選xuan擇ze綠lv光guang，耳er朵duo則ze不bu同tong，可ke以yi使shi用yong紅hong外wai光guang
，從cong而er獲huo得de更geng大da的de穿chuan透tou深shen度du和he更geng高gao的deSNR。光電二極管（其探測麵積與其響應度直接相關）用於測量反射光。因此，它會同時測量信號和背景噪聲。下遊模擬前端提供更高的SNR。它(ta)用(yong)作(zuo)信(xin)號(hao)濾(lv)波(bo)器(qi)，將(jiang)檢(jian)測(ce)到(dao)的(de)電(dian)流(liu)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)壓(ya)
，進(jin)而(er)轉(zhuan)換(huan)為(wei)數(shu)字(zi)形(xing)式(shi)。除(chu)反(fan)射(she)測(ce)量(liang)外(wai)
，算(suan)法(fa)還(hai)包(bao)括(kuo)用(yong)於(yu)通(tong)過(guo)加(jia)速(su)度(du)計(ji)濾(lv)除(chu)運(yun)動(dong)偽(wei)像(xiang)的(de)校(xiao)正(zheng)。

 

組成測量係統的器件說明如下。ADI公司的ADPD144RI芯片用作模擬前端，它還集成了光電二極管和LED。測量由三軸加速度計提供支持，該三軸加速度計不僅用於識別步態和運動，還用於去除偽像。本例中使用ADXL362。整個過程由ADuCM3029微控製器控製
，該微控製器用作各種傳感器的接口並包含算法。

 

圖1.集成光學傳感器和加速度計的測試係統
，刻度尺用於比較。

 

圖1顯示了該測試係統，常規耳塞中同時容納了光學傳感器和加速度計。已采取措施將ADC采樣率限製在100 Hz並最小化LED強度
，以盡可能降低功耗。

 

為wei了le對dui係xi統tong特te性xing進jin行xing表biao征zheng
，針zhen對dui不bu同tong的de運yun動dong模mo式shi考kao慮lv了le五wu種zhong不bu同tong的de場chang景jing。評ping估gu僅jin使shi用yong光guang學xue信xin號hao，這zhe樣yang就jiu能neng知zhi道dao脈mai衝chong測ce量liang不bu準zhun確que性xing出chu現xian在zai哪na些xie場chang景jing中zhong
，以yi及ji何he時shi需xu要yao加jia速su度du計ji數shu據ju來lai提ti高gao脈mai衝chong測ce量liang的de精jing度du。場chang景jing涵han蓋gai以yi下xia運yun動dong順shun序xu：

 

● 站著不動

● 站著不動並咀嚼

● 在辦公桌前工作

● 步行

●  跑步和跳躍

 

測試場景1

 

站著不動

 

圖2weifuduyucaiyangsulvdeguanxitu，xianshileyuanshishujudepinpu。suizheshijiantuiyi，maiboketongguofengzhilaishibie。zaimeiyouyundongdeqingkuangxia，xinhaofeichangqingxi
，xinlvketongguofengzhiweizhiheyizhidecaiyangsulvlaiqueding。

 

圖2.測量幅度過采樣率以提供有關心率的信息

 

光學傳感器用兩種LED顏色——紅外和紅光——記錄心率
，每種顏色有四個通道。這樣就可以通過兩種不同顏色的通道來區分測量，並且可以選擇更穩健的版本。各種通道的信號如圖3A所suo示shi。利li用yong六liu個ge通tong道dao可ke以yi識shi別bie出chu非fei常chang明ming確que的de信xin號hao，同tong時shi兩liang個ge通tong道dao飽bao和he。為wei了le獲huo得de更geng強qiang和he更geng穩wen健jian的de信xin號hao
，算suan法fa會hui添tian加jia相xiang應ying的de不bu飽bao和he通tong道dao並bing計ji算suan心xin率lv。圖tu3B顯示了紅光通道（頂部）和紅外通道（底部）的心率


，同時借助色標顯示了測量的置信度。圖中還給出了心率的倍數，由此可以通過采樣速率和置信度指示來區分原始信號（虛線）。

 

zongzhi，zaimeiyouyundongdeqingkuangxia，xinhaohenqiangqiemeiyouzuaizaosheng
，yincisuanfanengyigaokexinduquedingxinlv。laizihongwaitongdaodexinhaoqiangyulaizihongguangtongdaodexinhao。

 

測試場景2

 

站著不動並咀嚼

 

場景2引入了額外的咀嚼動作。記錄的頻譜如圖4所示。與測試場景1butong，zhelikeyiqingchudikandaoyundongweixiang
，qizaixinhaozhongbiaoxianweitiaoyue。tamenzaitongdaozonghezhongyebiandeqingxi
，buzaibiaoxianchurucimingxianbutongdesulv。raner
，suanfahaishinenggouzaimeiyouyundongchuanganqiewaibangzhudeqingkuangxiayigaozhixinduzhengquediquedingxinlv。youyisideshi，hongwaixinhaoqiangduzaicidayuhongguangtongdaodexinhaoqiangdu。

 

圖3.紅色區域（頂部）顯示站著不動情況的四通道測量
，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定，色標指示置信度。

 

圖4.紅色區域（頂部）顯示站著不動並咀嚼情況的四通道測量，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定，色標指示置信度。心率可以在沒有加速度計的情況下予以確定。

 

圖5.紅色區域（頂部）顯示在辦公桌前工作情況的四通道測量，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定
，色標指示置信度。心率可以在沒有加速度計的情況下予以確定。

 

圖6.紅色區域（頂部）顯示步行情況的四通道測量，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定

，色標指示置信度。對於紅外情況，心率可以在沒有加速度計的情況下予以確定。

 

圖7.紅色區域（頂部）顯示跑跳情況的四通道測量，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定，色標指示置信度。沒有加速度計很難確定心率。

 

圖8.無加速度計數據（左）和有加速度計數據（右）的加性頻譜比較。利用加速度計可以重建用戶的心率。

 

測試場景3

 

在辦公桌前工作

 

場景3中測試了另一種日常情況。測試人員坐在桌子前進行一些正常工作以及相關的動作。與場景2類似
，可以檢測到運動偽像
，由此算法可以識別兩個通道中的心率。從圖5中可以看出，紅外信號在這裏同樣占主導地位。

 

測試場景4

 

步行

 

先前的場景關注的是靜止測量情況
，但在本場景中
，測試人員以低速（大約每分鍾50步）沿一個方向均勻移動。如圖6所示
，PPG信(xin)號(hao)中(zhong)混(hun)合(he)了(le)心(xin)率(lv)與(yu)步(bu)伐(fa)，各(ge)種(zhong)聲(sheng)道(dao)的(de)總(zong)和(he)顯(xian)示(shi)的(de)信(xin)號(hao)非(fei)常(chang)模(mo)糊(hu)。雖(sui)然(ran)在(zai)紅(hong)光(guang)信(xin)號(hao)場(chang)中(zhong)無(wu)法(fa)計(ji)算(suan)明(ming)確(que)的(de)心(xin)率(lv)，但(dan)算(suan)法(fa)在(zai)紅(hong)外(wai)信(xin)號(hao)中(zhong)找(zhao)到(dao)一(yi)個(ge)擬(ni)合(he)的(de)心(xin)率(lv)。然(ran)而(er)，由(you)於(yu)波(bo)動(dong)很(hen)大(da)和(he)矩(ju)陣(zhen)的(de)置(zhi)信(xin)度(du)很(hen)低(di)
，來(lai)自(zi)加(jia)速(su)度(du)計(ji)的(de)附(fu)加(jia)運(yun)動(dong)數(shu)據(ju)將(jiang)非(fei)常(chang)有(you)用(yong)，特(te)別(bie)是(shi)因(yin)為(wei)到(dao)目(mu)前(qian)為(wei)止(zhi)，測(ce)量(liang)僅(jin)在(zai)較(jiao)低(di)步(bu)行(xing)速(su)度(du)下(xia)進(jin)行(xing)。

 

測試場景5

 

跑步和跳躍

 

場景5不是測量均勻運動，而是短跑和跳躍以一定的間隔交替進行。現在可以非常清楚地識別運動偽像，算法很難隔離出正確的心率
，如圖7所示。需要運動傳感器提供支持似乎是不可避免的。

 

為了更好地評估對運動傳感器的需求，場景5測試了使用和不使用加速度計兩種情況下的測量技術。圖8顯示了無校正加速度計數據（左）和有校正加速度計數據（右）的加性頻譜的比較。在識別心率時可以看到信號明顯改善，如果沒有加速度計的支持，這是不可能的。

 

從(cong)測(ce)試(shi)案(an)例(li)中(zhong)可(ke)以(yi)得(de)出(chu)結(jie)論(lun)，在(zai)大(da)多(duo)數(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)
，心(xin)率(lv)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)耳(er)塞(sai)中(zhong)集(ji)成(cheng)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)非(fei)常(chang)精(jing)確(que)地(di)加(jia)以(yi)確(que)定(ding)。在(zai)局(ju)部(bu)或(huo)慢(man)速(su)平(ping)移(yi)運(yun)動(dong)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，心(xin)率(lv)甚(shen)至(zhi)可(ke)以(yi)在(zai)不(bu)使(shi)用(yong)加(jia)速(su)度(du)計(ji)數(shu)據(ju)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)加(jia)以(yi)確(que)定(ding)。然(ran)而(er)，在(zai)突(tu)然(ran)和(he)快(kuai)速(su)運(yun)動(dong)的(de)極(ji)限(xian)情(qing)況(kuang)下(xia)，與(yu)運(yun)動(dong)校(xiao)正(zheng)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)也(ye)能(neng)釋(shi)讀(du)數(shu)據(ju)。在(zai)所(suo)有(you)情(qing)況(kuang)下(xia)，紅(hong)外(wai)信(xin)號(hao)均(jun)強(qiang)於(yu)紅(hong)光(guang)信(xin)號(hao)。

 

與手腕測量相比
，耳朵中的信號更強，因此測量精度可以達到更高水平。此外，使用紅光或紅外光可以測量血氧水平。

 

結論

 

總zong之zhi，功gong能neng測ce試shi係xi統tong也ye已yi證zheng明ming，耳er朵duo測ce量liang非fei常chang有you前qian途tu。測ce量liang裝zhuang置zhi也ye可ke以yi通tong過guo更geng好hao的de機ji械xie集ji成cheng來lai改gai進jin

，並bing加jia以yi擴kuo展zhan來lai實shi現xian額e外wai的de測ce量liang。這zhe樣yang
，加jia速su度du計ji還hai可ke用yong於yu跌die倒dao檢jian測ce和he步bu態tai識shi別bie，從cong而er為wei客ke戶hu創chuang造zao更geng多duo價jia值zhi。

 

 

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