耳塞式光學(xué)心率測量

傳感器技術(shù)的進(jìn)步改變了人們診斷其生命體征和健康的方式與地點(diǎn)。便攜式非侵入測量技術(shù)可以在我們的日常生活中進(jìn)行快速簡(jiǎn)單的測量。不過(guò)，盡管這種診斷技術(shù)在健身行業(yè)中已經(jīng)非常流行，但其精度有限，這個(gè)問(wèn)題直到最近才被解決。

健身追蹤器可以測量心率和其他生命體征以幫助用戶(hù)設定日常鍛煉活動(dòng)。健身追蹤器通常內置運動(dòng)傳感器，可以檢測運動(dòng)模式以幫助區分步行、跑步與游泳，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(jìn)行，因為傳感器可以放置在手表、珠寶和腕帶等配飾中。但是，此位置對測量質(zhì)量而言并非最佳。心率檢測會(huì )受到運動(dòng)偽像的限制而難以進(jìn)行，因為肌肉質(zhì)量相對較大，會(huì )限制與動(dòng)脈的接觸。

相比之下，耳朵更適合進(jìn)行光學(xué)心率測量。耳垂已被醫學(xué)專(zhuān)家用于測量血氧水平。但到目前為止，這尚未在消費者層面上得到充分利用，因為基于耳朵的測量設備受空間限制，并且功耗非常高，需要大電池。但隨著(zhù)高集成度、更低功耗芯片的推出，ADI公司已開(kāi)發(fā)出解決這些問(wèn)題的解決方案?，F在可以將有效運作的生命體征測量器件集成到典型的入耳式耳機中。響應度的改進(jìn)開(kāi)辟了全新的應用領(lǐng)域和可能性。本文介紹并評估了該系統。

基礎測量方法是光學(xué)性的。測量使用來(lái)自最多三個(gè)LED的短脈沖信號。LED電流最高可達370 mA，最小脈沖寬度為1μs。LED的最佳波長(cháng)根據測量位置和測量方法來(lái)選擇。手腕上只能測量表面動(dòng)脈，故而選擇綠光，耳朵則不同，可以使用紅外光，從而獲得更大的穿透深度和更高的SNR。光電二極管（其探測面積與其響應度直接相關(guān)）用于測量反射光。因此，它會(huì )同時(shí)測量信號和背景噪聲。下游模擬前端提供更高的SNR。它用作信號濾波器，將檢測到的電流轉換為電壓，進(jìn)而轉換為數字形式。除反射測量外，算法還包括用于通過(guò)加速度計濾除運動(dòng)偽像的校正。

組成測量系統的器件說(shuō)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于識別步態(tài)和運動(dòng)，還用于去除偽像。本例中使用ADXL362。整個(gè)過(guò)程由ADuCM3029微控制器控制，該微控制器用作各種傳感器的接口并包含算法。

圖1.集成光學(xué)傳感器和加速度計的測試系統，刻度尺用于比較。

圖1顯示了該測試系統，常規耳塞中同時(shí)容納了光學(xué)傳感器和加速度計。已采取措施將ADC采樣率限制在100 Hz并最小化LED強度，以盡可能降低功耗。

為了對系統特性進(jìn)行表征，針對不同的運動(dòng)模式考慮了五種不同的場(chǎng)景。評估僅使用光學(xué)信號，這樣就能知道脈沖測量不準確性出現在哪些場(chǎng)景中，以及何時(shí)需要加速度計數據來(lái)提高脈沖測量的精度。場(chǎng)景涵蓋以下運動(dòng)順序：

? 站著(zhù)不動(dòng)

? 站著(zhù)不動(dòng)并咀嚼

? 在辦公桌前工作

? 步行

? 跑步和跳躍

測試場(chǎng)景1

站著(zhù)不動(dòng)

圖2為幅度與采樣速率的關(guān)系圖，顯示了原始數據的頻譜。隨著(zhù)時(shí)間推移，脈搏可通過(guò)峰值來(lái)識別。在沒(méi)有運動(dòng)的情況下，信號非常清晰，心率可通過(guò)峰值位置和已知的采樣速率來(lái)確定。

圖2.測量幅度過(guò)采樣率以提供有關(guān)心率的信息

光學(xué)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(gè)通道。這樣就可以通過(guò)兩種不同顏色的通道來(lái)區分測量，并且可以選擇更穩健的版本。各種通道的信號如圖3A所示。利用六個(gè)通道可以識別出非常明確的信號，同時(shí)兩個(gè)通道飽和。為了獲得更強和更穩健的信號，算法會(huì )添加相應的不飽和通道并計算心率。圖3B顯示了紅光通道（頂部）和紅外通道（底部）的心率，同時(shí)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(guò)采樣速率和置信度指示來(lái)區分原始信號（虛線(xiàn)）。

總之，在沒(méi)有運動(dòng)的情況下，信號很強且沒(méi)有阻礙噪聲，因此算法能以高可信度確定心率。來(lái)自紅外通道的信號強于來(lái)自紅光通道的信號。

測試場(chǎng)景2

站著(zhù)不動(dòng)并咀嚼

場(chǎng)景2引入了額外的咀嚼動(dòng)作。記錄的頻譜如圖4所示。與測試場(chǎng)景1不同，這里可以清楚地看到運動(dòng)偽像，其在信號中表現為跳躍。它們在通道總和中也變得清晰，不再表現出如此明顯不同的速率。然而，算法還是能夠在沒(méi)有運動(dòng)傳感器額外幫助的情況下以高置信度正確地確定心率。有意思的是，紅外信號強度再次大于紅光通道的信號強度。

圖3.紅色區域（頂部）顯示站著(zhù)不動(dòng)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(xiàn)）可以由算法通過(guò)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(zhù)不動(dòng)并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(xiàn)）可以由算法通過(guò)加總數據確定，色標指示置信度。心率可以在沒(méi)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(xiàn)）可以由算法通過(guò)加總數據確定，色標指示置信度。心率可以在沒(méi)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(xiàn)）可以由算法通過(guò)加總數據確定，色標指示置信度。對于紅外情況，心率可以在沒(méi)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(xiàn)）可以由算法通過(guò)加總數據確定，色標指示置信度。沒(méi)有加速度計很難確定心率。

圖8.無(wú)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(hù)的心率。

測試場(chǎng)景3

在辦公桌前工作

場(chǎng)景3中測試了另一種日常情況。測試人員坐在桌子前進(jìn)行一些正常工作以及相關(guān)的動(dòng)作。與場(chǎng)景2類(lèi)似，可以檢測到運動(dòng)偽像，由此算法可以識別兩個(gè)通道中的心率。從圖5中可以看出，紅外信號在這里同樣占主導地位。

測試場(chǎng)景4

步行

先前的場(chǎng)景關(guān)注的是靜止測量情況，但在本場(chǎng)景中，測試人員以低速（大約每分鐘50步）沿一個(gè)方向均勻移動(dòng)。如圖6所示，PPG信號中混合了心率與步伐，各種聲道的總和顯示的信號非常模糊。雖然在紅光信號場(chǎng)中無(wú)法計算明確的心率，但算法在紅外信號中找到一個(gè)擬合的心率。然而，由于波動(dòng)很大和矩陣的置信度很低，來(lái)自加速度計的附加運動(dòng)數據將非常有用，特別是因為到目前為止，測量?jì)H在較低步行速度下進(jìn)行。

測試場(chǎng)景5

跑步和跳躍

場(chǎng)景5不是測量均勻運動(dòng)，而是短跑和跳躍以一定的間隔交替進(jìn)行?，F在可以非常清楚地識別運動(dòng)偽像，算法很難隔離出正確的心率，如圖7所示。需要運動(dòng)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(dòng)傳感器的需求，場(chǎng)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(shù)。圖8顯示了無(wú)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(shí)可以看到信號明顯改善，如果沒(méi)有加速度計的支持，這是不可能的。

從測試案例中可以得出結論，在大多數情況下，心率可以利用耳塞中集成的傳感器非常精確地加以確定。在局部或慢速平移運動(dòng)的情況下，心率甚至可以在不使用加速度計數據的情況下加以確定。然而，在突然和快速運動(dòng)的極限情況下，與運動(dòng)校正數據進(jìn)行比較也能釋讀數據。在所有情況下，紅外信號均強于紅光信號。

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

總之，功能測試系統也已證明，耳朵測量非常有前途。測量裝置也可以通過(guò)更好的機械集成來(lái)改進(jìn)，并加以擴展來(lái)實(shí)現額外的測量。這樣，加速度計還可用于跌倒檢測和步態(tài)識別，從而為客戶(hù)創(chuàng )造更多價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介

自2015年2月至今，Christoph K?mmerer一直在德國ADI公司任職。他于2014年畢業(yè)于埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)，獲得物理學(xué)碩士學(xué)位。第二年，他曾在利默里克市ADI公司擔任工藝開(kāi)發(fā)實(shí)習生。2016年12月完成現場(chǎng)應用工程師培訓生項目后，他正式成為ADI公司員工，專(zhuān)門(mén)研究新興應用領(lǐng)域。