設計與實現一個光學心率測(HRM)係統(又稱光電容積脈搏波技術

，簡稱PPG)是一類複雜的、涉及多個領域的項目。設計要素包括人體工程學 、信號處理與過濾、光學和機械設計、低噪聲信號接收電路以及低噪聲電流脈衝發生器。

 

可穿戴電子產品製造商正在不斷為其保健與健身產品添加心率監測功能，集成化也正在推動心率監測應用中傳感器的成本不斷降低。目前
，許多心率檢測傳感器都在其高度集成的模組中包含了一些分離的元器件
，如模擬前端(AFE)、光電管檢測器和發光二極管等。這些模組支持更便捷的實現方式
，可在將心率監測功能加入到可穿戴產品中時降低其成本和複雜性。

 

可ke穿chuan戴dai產chan品pin的de外wai觀guan形xing態tai也ye在zai逐zhu漸jian改gai變bian。在zai胸xiong帶dai已yi經jing有you效xiao地di服fu務wu了le保bao健jian與yu健jian身shen市shi場chang多duo年nian的de同tong時shi，心xin率lv監jian測ce功gong能neng現xian在zai正zheng在zai進jin入ru到dao各ge種zhong手shou腕wan佩pei戴dai產chan品pin中zhong。光guang學xue感gan測ce技ji術shu與yu高gao性xing能neng、低功耗處理器等方麵的技術進步
，已經促使手腕佩戴這種外形可適用於許多設計;心(xin)率(lv)檢(jian)測(ce)算(suan)法(fa)的(de)精(jing)密(mi)度(du)也(ye)已(yi)到(dao)達(da)了(le)一(yi)種(zhong)新(xin)的(de)水(shui)平(ping)，從(cong)而(er)可(ke)以(yi)被(bei)采(cai)用(yong)手(shou)腕(wan)佩(pei)帶(dai)外(wai)形(xing)的(de)產(chan)品(pin)所(suo)接(jie)受(shou)。其(qi)它(ta)新(xin)的(de)可(ke)穿(chuan)戴(dai)感(gan)測(ce)應(ying)用(yong)外(wai)觀(guan)形(xing)態(tai)和(he)應(ying)用(yong)場(chang)景(jing)也(ye)在(zai)不(bu)斷(duan)湧(yong)現(xian)
，比(bi)如(ru)頭(tou)帶(dai)
、體育與健身服裝、以及耳塞等。但是，可穿戴生理指標監測的最主要應用場景還將歸集於手腕。

 

沒有兩種心率監測應用是完全相同的
，係統開發人員必須考慮許多設計折中：如產品的舒適性
、感測的精度、係統成本、功耗
、陽光影響、處理許多皮膚類型、運動影響、kaifashijianhewulidaxiaodengdeng。suoyouzhexieshejiyinsudouyingxiangxitongjicheng，shicaiyonggaojichengdumozujiejuefangan，yihuoshicaiyongjichenglegengduofenliyuanqijiandejiagou。

 

圖1展示了測量心率信號的基本方法

，它依賴於用光學方法從人體組織上提取的心率壓力波。圖1說明了光進入皮膚後傳輸的途徑：由心率壓力波引起的毛細血管舒張和收縮運動對由綠色LED注zhu入ru人ren體ti組zu織zhi的de光guang信xin號hao進jin行xing了le調tiao製zhi。接jie收shou到dao的de信xin號hao因yin為wei通tong過guo了le皮pi膚fu而er被bei大da大da地di衰shuai減jian，它ta被bei一yi個ge光guang電dian管guan接jie收shou並bing送song到dao電dian子zi子zi係xi統tong中zhong去qu處chu理li。源yuan自zi脈mai搏bo的de振zhen幅fu調tiao製zhi信xin號hao被bei檢jian測ce(過濾掉運動噪聲)、分析和顯示。

 

圖1 . 光學心率檢測的運行原理

 

心率監測係統設計的一種基本方法采用了一種定製的的微控製器(MCU)，它被用於控製外部LED驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)發(fa)生(sheng)，並(bing)同(tong)時(shi)讀(du)取(qu)一(yi)個(ge)分(fen)離(li)的(de)光(guang)電(dian)管(guan)上(shang)的(de)電(dian)流(liu)輸(shu)出(chu)數(shu)據(ju)。已(yi)知(zhi)光(guang)電(dian)管(guan)的(de)電(dian)流(liu)輸(shu)出(chu)必(bi)須(xu)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)壓(ya)，輸(shu)出(chu)給(gei)模(mo)擬(ni)到(dao)數(shu)字(zi)轉(zhuan)換(huan)(A/D)單元
，圖2中的原理圖說明了這類係統的基本原理。已知電流到電壓轉換器在光電管電流為0時產生一個等於VREF的電壓
，而隨著電流的增加電壓將下降。

 

用在心率係統中的電流脈衝通常在2mA到300mA之(zhi)間(jian)，具(ju)體(ti)數(shu)值(zhi)取(qu)決(jue)於(yu)被(bei)測(ce)的(de)皮(pi)膚(fu)顏(yan)色(se)，以(yi)及(ji)所(suo)期(qi)望(wang)的(de)信(xin)號(hao)必(bi)須(xu)抵(di)消(xiao)陽(yang)光(guang)。陽(yang)光(guang)中(zhong)的(de)紅(hong)外(wai)輻(fu)射(she)透(tou)過(guo)皮(pi)膚(fu)組(zu)織(zhi)時(shi)的(de)衰(shuai)減(jian)很(hen)小(xiao)，這(zhe)與(yu)期(qi)望(wang)采(cai)用(yong)的(de)綠(lv)光(guang)LEDfachudeguangxianbutong，suoyitanenggouyanmeilvguangdexinhao，chufeisuocaiyongdelvguangfeichangqiang，huozhetianjiayigeangguidehongwaixianzuduanlvboqi。zaitongchangqingkuangxia，sherupifudelvseLED光線的強度，是陽光強度的0.1倍到3倍。由於人體組織的嚴重衰減作用，到達光電管的信號非常微弱，需要產生僅夠使用的電流來實現合理的70-100dB信噪比(SNR)，以便在即使是有完美的
、無噪聲運算放大器和A/D轉換器的情況下來消除噪聲。采用這種消噪的原因是在每秒25次的數據讀取中，每次光電管都會接收到一定數量的電子。設計中所采用的光電管的大小在0.1 mm2到7 mm2之間。但是，當它大於1mm時就會因陽光的影響而出現不確定的返回值。

 

圖2. 用光電法獲取心率數據所需的基本電子線路

 

如圖2所示，在一個光電心率係統設計中，難以實現和成本很高的功能模塊分別是：快速的
、大電流的驅動LED的電壓到電流轉換器，用於光電管的電流到電壓轉換器，以及運行算法和對序列信號進行處理的MCU。一個可被設置到低至2mA的很低電流，但同時仍然能產生短至10µs的非常窄的光脈衝低噪聲(75 - 100 dB SNR)300mA LED驅動器也是一個用分離器件實現起來非常昂貴的模塊。

 

圖2中所示的短至10µs的窄光脈衝支持係統去容忍運動和陽光，典型的方法是每秒25次采樣率下的每次次的快速光測試，一次測量是在LED關閉的情況下完成的，而另一次則是在LED打開的情況下完成。計算得出的差值消除了環境光的影響

，重要的是給出了對閃爍的背景光不敏感的期望的原始光信號測量值。

 

極短的光脈衝可以提供更強的光脈衝，可以比陽光的亮度更高
，這也許是目前的解決方案並使PPG信號載波不被陽光信號所破壞的方法之一。如果陽光信號大於PPG載波，盡管它可以通過減法被消除，但是手臂運動會帶來的難以消除的噪聲。所以係統會使用一個低電流的LED驅動器和大麵積的光電管對運動和陽光噪聲進行補償。

 

許xu多duo期qi望wang的de心xin率lv檢jian測ce感gan測ce功gong能neng可ke以yi通tong過guo預yu先xian的de設she計ji和he集ji成cheng
，用yong僅jin僅jin一yi個ge器qi件jian來lai實shi現xian。將jiang該gai項xiang功gong能neng的de大da多duo數shu電dian路lu集ji成cheng到dao一yi塊kuai芯xin片pian中zhong，可ke實shi現xian相xiang對dui較jiao小xiao的de3 mm x 3 mm封裝，這甚至可以把光電管自己集成於其中。

 

圖3以Silicon Labs的Si118x光guang學xue傳chuan感gan器qi為wei例li來lai說shuo明ming電dian路lu原yuan理li，基ji於yu此ci器qi件jian可ke以yi相xiang對dui方fang便bian地di實shi現xian心xin率lv檢jian測ce設she計ji。工gong程cheng師shi隻zhi需xu專zhuan注zhu於yu設she計ji的de光guang學xue部bu分fen


，其qi中zhong包bao括kuo電dian路lu板ban上shang各ge部bu分fen間jian的de光guang學xue單dan元yuan和he將jiang該gai係xi統tong如ru何he與yu皮pi膚fu配pei合he。

 

圖3. 一個隻需要外部LED的集成化心率傳感器

 

圖3所示的方法可以實現高性能的心率檢測解決方案，它並不是一些設計師所期望的小型化或高功效方案。 為了實現更小的解決方案
，LED片芯和控製芯片必須被集成到同一個封裝中
，其中集成了所有的必需的功能，包括光學單元和可以改善LED輸出的透鏡。圖4說明了這種集成度更高的解決方案
，它基於Silicon Labs的Si117x光學傳感器。

 

這種心率檢測設計不需要額外的LED，因為LED和he光guang電dian管guan都dou集ji成cheng在zai模mo組zu內nei部bu了le，而er該gai模mo組zu可ke以yi直zhi接jie安an裝zhuang在zai光guang學xue界jie麵mian的de下xia麵mian，亦yi即ji諸zhu如ru智zhi能neng手shou表biao等deng可ke穿chuan戴dai產chan品pin的de後hou蓋gai裏li麵mian。這zhe種zhong頗po具ju優you勢shi的de方fang法fa使shiLED與光電管之間的距離短於分離器件設計，這種更短的距離支持極低功耗的運行，這是因為在穿透皮膚時的光損失更低。

 

集成多個LED也解決了LED與(yu)光(guang)電(dian)管(guan)之(zhi)間(jian)的(de)光(guang)泄(xie)漏(lou)問(wen)題(ti)，其(qi)結(jie)果(guo)是(shi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)不(bu)必(bi)在(zai)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)上(shang)添(tian)加(jia)光(guang)阻(zu)隔(ge)離(li)。不(bu)采(cai)取(qu)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)的(de)結(jie)果(guo)是(shi)
，用(yong)塑(su)料(liao)或(huo)者(zhe)泡(pao)沫(mo)插(cha)入(ru)物(wu)和(he)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)上(shang)的(de)特(te)別(bie)銅(tong)層(ceng)來(lai)處(chu)理(li)隔(ge)離(li)。

 

圖4. 一個高度集成的心率檢測傳感器模組集成了所有必須的元器件

 

當然，其中還有一款心率檢測設計的開發人員不必去關心的部分：心(xin)率(lv)檢(jian)測(ce)算(suan)法(fa)。這(zhe)個(ge)寄(ji)附(fu)在(zai)主(zhu)處(chu)理(li)器(qi)上(shang)軟(ruan)件(jian)單(dan)元(yuan)非(fei)常(chang)複(fu)雜(za)，其(qi)原(yuan)因(yin)是(shi)在(zai)用(yong)戶(hu)鍛(duan)煉(lian)或(huo)者(zhe)進(jin)行(xing)運(yun)動(dong)時(shi)會(hui)發(fa)生(sheng)信(xin)號(hao)變(bian)差(cha)的(de)情(qing)況(kuang)。最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)的(de)運(yun)動(dong)通(tong)常(chang)會(hui)產(chan)生(sheng)其(qi)自(zi)身(shen)的(de)信(xin)號(hao)

，它(ta)們(men)可(ke)能(neng)欺(qi)騙(pian)真(zhen)正(zheng)的(de)心(xin)率(lv)信(xin)號(hao)
，並(bing)在(zai)有(you)些(xie)時(shi)候(hou)被(bei)錯(cuo)誤(wu)地(di)認(ren)作(zuo)是(shi)心(xin)率(lv)節(jie)奏(zou)。

 

如果一家可穿戴產品的開發人員沒有開發算法的資源，第三方供應商可以以軟件授權交易的提供這種軟件。Silicon Labs也提供用於其Si117x/8x光學傳感器心率算法
，它們可以在編譯後運行在大多數處理器上。

 

當然，最終由設計師來決定各種心率檢測應用中需要多高的集成度才合適
， 設計人員能夠用高集成度的模組化解決方案和購買算法授權去簡化設計過程並加快產品上市。對於對光學感測有深入認識、同時時間及資源也頗為豐沛的開發人員，這可以選擇使用分離元器件(傳感器
、光電管和鏡頭等等)jizijidexitongjicheng，shenzhihaikeyikaifatamenzijidexinlvjiancesuanfa。zuizhong，dangwomenjinxingxinlvjiancexitongshejishi
，shejishikeyixuanzequanbukaozijiquwancheng，huoshiquanbucongwaibugoumai。

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