光學心率傳感器工作原理

2020-12-20 電子發燒友

光學心率傳感器工作原理

doodle 發表於 2016-12-28 14:58:12

不少業內人士都認為未來可穿戴智能手錶、手環需要向著更加專業化和細分化的應用領域發展，其中針對運動人群和健康檢測就是兩個很好的方向。那麼我們不妨通過Apple Watch來了解一下光學心率監測的原理。

Apple watch心率監測

心率監測可以說是Apple Watch最具革命性的一大功能，它究竟是如何實現的？Apple Watch利用LED綠光和紅外光，以及兩種光傳感器來檢測心率。當其處於15攝氏度（59華氏度）以下的低溫時，通過測量綠光的吸收狀況來獲取更為精準的數據。而高溫環境下，比如用戶正在健身房裡揮汗如雨時，皮膚表面水分增加，由於更多綠光已經被吸收掉，要檢測皮下反射的綠光就比較困難，這時Apple Watch就轉換到紅外光模式。

這種用於血流檢測的光學技術，專業上稱為「光電容積脈搏波描記法（photoplethysmography）」，簡稱PPG。

光電容積脈搏波描記法PPG

就AppleWatch來說，測量心率時底部的錶盤會發出綠色的燈光，並且測量的時候手腕最好保持不動否側會影響測量結果。接下來將詳細介紹光學心率測量的原理。

如下兩張圖是光學心率傳感器。圖a是LED沒有發光的時候中間是一個光敏二極體，圖b是傳感器的LED發光的時候。

圖a                                                                                            圖b

那麼為什麼通過LED燈發光就能測量心率呢？

當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並轉換成電信號再經過AD轉換成數位訊號，簡化過程：光---> 電 ---> 數位訊號

為什麼大多數傳感器都是採用的綠光呢？

我們先看看光譜的特點，從紫外線到紅外線的波長是越來越長的。

之所以選擇綠光作為光源是考慮到一下·幾個特點：

1. 皮膚的黑色素會吸收大量波長較短的波

2. 皮膚上的水份也會吸收大量的UV和IR部分的光

3. 進入皮膚組織的綠光（500nm）-- 黃光（600nm）大部分會被紅細胞吸收

4. 紅光和接近IR的光相比其他波長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-- 紅光能作為測量光源。早起多數採用紅光為光源，隨著進一步的研究和對比，綠光作為光源得到的信號更好，信噪比也比其他光源好些，所以現在大部分穿戴設備採用綠光為光源。但是考慮到皮膚情況的不用（膚色、汗水），高端產品會根據情況自動使用換綠光、紅光和IR多種光源。

雖然知道了上面的幾個特點，但是還不足以弄清楚為什麼通過光照就能測出心率、血氧等參數呢？

下圖就解釋了核心原理

當光照透過皮膚組織然後再反射到光敏傳感器時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光的吸收是基本不變的（前提是測量部位沒有大幅度的運動），但是血液不同，由於動脈裡有血液的流動，那麼對光的吸收自然也有所變化。當我們把光轉換成電信號時，正是由於動脈對光的吸收有變化而其他組織對光的吸收基本不變，得到的信號就可以分為直流DC信號和交流AC信號。提取其中的AC信號，就能反應出血液流動的特點。我們把這種技術叫做光電容積脈搏波描記法PPG。

文章參考Richard_LiuJH的博客

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