新技术:用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器

发布时间:2021-10-22 发布时间:
|

电子测量仪器多种多样,万用表、示波器、功率计、电能质量分析仪、功率分析仪等等,我们经常发现同一个信号用不同的仪器测试,结果都不一样,此时我们该如何来判断测试的准确性呢!

不同的测量仪器都有其测试应用的场合和测量范围,其中很关键的一个指标就是仪器的带宽。带宽不同的仪器,哪怕测试相同的信号,测试结果往往也都不同。

首先我们来看看仪器测量带宽是什么。仪器的测量带宽简单而言就是仪器能够测试的频率范围,我们将信号幅值衰减到-3dB的频率点称为带宽截止频率点,即在输入某一频率正弦波,测量到的幅度衰减为实际幅度的70.7%时,该频率点称为带宽,如下图所示。

image.png

不同测量仪器,其带宽都不相同。原因有很多,有些是产品应用和测试对象决定的,比如某些测试应用,用不到很高的带宽,或者信号频率比较固定,测试也有对应的标准,如我们常见的电能质量分析仪,其主要针对电网信号做测量,而电网的信号频率就是50Hz/60Hz,因此专用的电能质量分析仪的带宽往往也在这个范围。又比如示波器,示波器的带宽往往非常大,市场上常用的带宽一般有200MHz、350MHz、500MHz,高频应用还会用到GHz以上的带宽。因为示波器常用来捕获时间很快的信号,并且要求能完整的还原波形形状,所以带宽必须很高才能实现功能。

image.png

还有一些仪器是因为产品定位不同或者本身的技术瓶颈问题,带宽也各有差异。如功率分析仪、功率计、电参数表等。功率分析仪作为高端测量仪器,一般为高精度高带宽,带宽可以到2MHz甚至5MHz;功率计更多用于产品的检测和生产测试,所以带宽会相对低一些,一般在100KHz~500KHz;而电参数表多数用于低端应用产品,带宽一般不超过50KHz。

image.png

带宽的不同对测试结果而言到底有什么样的影响呢?下面我们看一个实际测试案例,在某LED测试现场,用两台带宽不同的功率计测试LED驱动的输入(市电工频50Hz)电参数,包括电压、电流、功率、功率因数等,测试结果如下图所示:

image.png

从图中可以看到,两台设备测试的电压、有功功率基本一致,但是功率因素确相差很大。而功率因数的计算跟无功功率有非常密切的关系,因此可以判断两台设备测试的无功功率肯定有相差。两台设备的标称的基本精度都一样,但带宽却相差很大。致远电子的PA310带宽为300KHz,而另一台设备的带宽只有5KHz,LED驱动模块的工作原理为开关输出,因此必然会有高频的信号引入,带宽低的设备测试不到高频信号,因此测试结果也就与带宽高的设备相差甚远。

为了验证测试结果确实是带宽引起的,我们对PA310进行了线路滤波器的设置,打开了一个5.5KHz的线路滤波器,而后对比两台测试的功率因素,结果两台设备的功率因素确实一致,这也就证明了带宽确实是影响测试结果的重要因素。

看到这里,有人会问,带宽是否越高越好,其实带宽也并不是越高越好,因为带宽越高,引入的高频信号也就越多,很多高频信号对测试结果会造成负面影响,这也不是我们所希望的。但是仪器的测试带宽一定要能满足被测设备的频率范围,否则测试不到真实信号,掩耳盗铃最终必定也是自欺欺人。


本文是主题为“用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器”三篇系列文章的第一篇。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。

image.png

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:


l 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。

l 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。

l 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。

l 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。


image.png

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:


l 呼吸率 - 休息时的呼吸率越低,通常这表明身体状况越好。

l 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。

l 血氧水平(SpO2)- 是指血液中的氧气浓度。

l 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。

l 血压 - 通过PPG传感器信号,无需使用血压计即可测量血压。

l 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。

l 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。

image.png

3:集成光学心率传感器的主要挑战


光力学


下面进一步介绍有关PPG传感器集成的光力学考虑事项:


l 光力学耦合 - 在传感器与人体之间是否能够高效进行双向光导与耦合?使血流信号最大化和向传感器施加噪音的环境噪音(如日光)最小化,是其中的关键。

l 是否为人体部位使用了正确的波长?不同部位需要不同的波长,因为各部位的生理构造不同,并且环境噪音对不同部位的影响不同。

l 设计是否使用了多个发射器,它们的间距是否正确?发射器的间距很重要,正确布放才能确保您测量到足够量的正确类型的血流,且测量结果具有较少的伪影。

l 在体育锻炼或身体运动过程中,诸如皮肤与传感器之间的位移量等机械力学作用是否最小?这对许多佩戴可穿戴设备进行活动的常见情况都是个问题,比如跑步、慢跑和健身房锻炼。

信号提取算法

下面进一步介绍有关信号提取考虑事项的详细信息:

l 算法是否在多元化的人群中进行过验证?这一点很重要,只有进行过此类验证才能保证设备能够适应多种肤色、不同性别、不同体型和健康状况而正常运行。

l 算法是否有抵抗多种类型运动噪音的强健性?算法必须能够在各种活动期间正常工作,包括步行、跑步(高速稳定的跑步和间歇训练)、疾跑、健身房训练及打字或开车等日常行为。

l 算法是否能够持续改进,以便能够处理更多用例和新型生物计量?这种技术和可穿戴设备市场正在迅速发展,您必须不断创新,才可满足不断变化的客户需求。

希望大家能够通过本篇博客了解一些有关PPG传感器系统工作原理及可测量内容的知识。



『本文转载自网络,版权归原作者所有,如有侵权请联系删除』

热门文章 更多
Jabra全新呼叫中心解决方案暨BIZ1500新品发布会在沪举行