光學(xué)心率傳感器工作原理

不少業(yè)內人士都認為未來(lái)可穿戴智能手表、手環(huán)需要向著(zhù)更加專(zhuān)業(yè)化和細分化的應用領(lǐng)域發(fā)展，其中針對運動(dòng)人群和健康檢測就是兩個(gè)很好的方向。那么我們不妨通過(guò)Apple Watch來(lái)了解一下光學(xué)心率監測的原理。

Apple watch心率監測

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

這種用于血流檢測的光學(xué)技術(shù)，專(zhuān)業(yè)上稱(chēng)為“光電容積脈搏波描記法（photoplethysmography）”，簡(jiǎn)稱(chēng)PPG。

光電容積脈搏波描記法PPG

就AppleWatch來(lái)說(shuō)，測量心率時(shí)底部的表盤(pán)會(huì )發(fā)出綠色的燈光，并且測量的時(shí)候手腕最好保持不動(dòng)否側會(huì )影響測量結果。接下來(lái)將詳細介紹光學(xué)心率測量的原理。

如下兩張圖是光學(xué)心率傳感器。圖a是LED沒(méi)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。

圖a 圖b

那么為什么通過(guò)LED燈發(fā)光就能測量心率呢？

當LED光射向皮膚，透過(guò)皮膚組織反射回的光被光敏傳感器接受并轉換成電信號再經(jīng)過(guò)AD轉換成數字信號，簡(jiǎn)化過(guò)程：光---> 電 ---> 數字信號

為什么大多數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(xiàn)到紅外線(xiàn)的波長(cháng)是越來(lái)越長(cháng)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(cháng)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 )被紅細胞吸收

4. 紅光和接近IR的光相比其他波長(cháng)的光更容易穿過(guò)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(lái)說(shuō)，綠光-- 紅光能作為測量光源。早起多數采用紅光為光源，隨著(zhù)進(jìn)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(guò)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(guò)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光的吸收是基本不變的（前提是測量部位沒(méi)有大幅度的運動(dòng)），但是血液不同，由于動(dòng)脈里有血液的流動(dòng)，那么對光的吸收自然也有所變化。當我們把光轉換成電信號時(shí)，正是由于動(dòng)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(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。

文章參考Richard_LiuJH的博客