光電傳感器 心率：光學(xué)心率傳感器 第1張" title="光電傳感器 心率：光學(xué)心率傳感器 第1張-傳感器知識網(wǎng)"/>
光電傳感器 心率：光學(xué)心率傳感器
序
在這個(gè)什么都要和“智能”扯上關(guān)系的年代，除了我們司空見慣的手機(jī)外，也就是一些智能手表和手環(huán)之類的穿戴設(shè)備了。這些智能穿戴設(shè)備集成了很多的傳感器，由于脈搏或者心率是生命體征的重要參數(shù)之一，所以心率測量可算是高端入門產(chǎn)品必備的一個(gè)技能，下面帶大家簡單地了解一下最常見的光學(xué)心率傳感器。
光學(xué)心率傳感器概述
光學(xué)心率傳感器是是智能穿戴設(shè)備中最為普及的用于心率檢測的傳感器之一。它采用電光溶劑脈搏波描記法（PPG）來測量心率及其他生物計(jì)量指標(biāo)。
測量原理：通過電容燈光射向皮膚，透過皮膚組織反射回的光被光敏傳感器接受并轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再根據(jù)血液的吸光率算出心率。簡化測量過程就是：發(fā)射光——轉(zhuǎn)換成電信號——轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
光學(xué)心率傳感器基本結(jié)構(gòu)
光學(xué)心率傳感器使用四個(gè)主要技術(shù)元件來測量心率：
光發(fā)射器 - 通常至少由兩個(gè)光發(fā)射二極管（LED）構(gòu)成，它們會(huì)將光波照進(jìn)皮膚內(nèi)部。 光電二極管和模擬前端（AFE） - 這些元件捕獲穿戴者折射的光，并將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號用于計(jì)算可實(shí)際應(yīng)用的心率數(shù)據(jù)。加速計(jì) - 加速計(jì)可測量運(yùn)動(dòng)，與光信號結(jié)合運(yùn)用，作為PPG算法的輸入。算法 - 算法能夠處理來自AFE和加速計(jì)的信號，然后將處理后的信號疊加到PPG波形上，由此可生成持續(xù)的、運(yùn)動(dòng)容錯(cuò)心率數(shù)據(jù)和其他生物計(jì)量數(shù)據(jù)。
光學(xué)心率傳感器可測量哪些生物計(jì)量指標(biāo)？
采用 PPG 的光學(xué)傳感器在獲得高品質(zhì) PPG 信號的情況下可獲取大量的基礎(chǔ)生物計(jì)量值，光學(xué)心率傳感器不止獲取心率數(shù)據(jù)那么簡單，還可以獲取以下生物計(jì)量指標(biāo)：
呼吸率 - 休息時(shí)的呼吸率越低，通常這表明身體狀況越好。最大攝氧量（VO2max）– VO2測量人體可以攝入的最大氧氣量，是人們廣泛使用的有氧耐力指標(biāo)。血氧水平（SpO2） - 是指血液中的氧氣濃度。R-R間期（心率變異率）- R-R間期是血脈沖的間隔時(shí)間；一般而言，心跳間隔時(shí)間越長越好。R-R間期分析，可用作壓力水平和不同心臟問題的指標(biāo)。血壓 - 通過PPG傳感器信號，無需使用血壓計(jì)即可測量血壓。血液灌注 - 灌注是指人體推動(dòng)血液流經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)的能力，特別是在瀕于死亡時(shí)流經(jīng)全身毛細(xì)血管床的能力。因?yàn)镻PG傳感器可跟蹤血液流動(dòng)，所以可以測量血流相對灌注率及血液灌注水平的變化。心效率 - 這是心腦血管健康和身體狀況的另一個(gè)指標(biāo)，一般來說，它測量的是心臟每搏的做功效率。
光學(xué)心率傳感器選擇綠光作為光源的原因
光學(xué)心率傳感器常使用綠光作為光源，從光譜特點(diǎn)看，從紫外線到紅外線，波長是越來越長的。
而選擇綠光作為測量光源是考慮到以下幾個(gè)特點(diǎn)：
皮膚的黑色素會(huì)吸收大量波長較短的波 皮膚上的水份也會(huì)吸收大量的UV和IR部分的光進(jìn)入皮膚組織的綠光（500nm）-- 黃光（600nm）大部分會(huì)被紅細(xì)胞吸收紅光和接近IR的光相比其他波長的光更容易穿過皮膚組織血液要比其他組織吸收更多的光相比紅光，綠（綠-黃）光能被氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收雖然現(xiàn)在大部分智能穿戴設(shè)備采用綠光作為光源，但是字考慮到皮膚情況的不同（膚色、汗水），高端產(chǎn)品會(huì)根據(jù)情況自動(dòng)使用綠光、紅光和紅外光等多種光源進(jìn)行心率測量。
Apple Watch 心率監(jiān)測原理
Apple Watch 的心率傳感器同樣是采用 PPG，特別設(shè)計(jì)的光學(xué)心率傳感器擁有四個(gè)點(diǎn)搜集數(shù)據(jù)，再佐以強(qiáng)大的軟件算法，來保證心率測量的可信度。
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(dāng)其處于15攝氏度（59華氏度）以下的低溫時(shí)，通過測量綠光的吸收狀況來獲取更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。而高溫環(huán)境下，比如用戶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(zhuǎn)換到紅外光模式。
如何提高光學(xué)心率手表準(zhǔn)確性
提升光學(xué)心率手表測量的準(zhǔn)確性，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
確認(rèn)手表緊貼于手腕不松動(dòng)，以減少擺臂時(shí)手表的移位，但也不可太緊以免影響血液循環(huán)；佩戴手表于手腕外側(cè)，表背的感應(yīng)面應(yīng)貼近皮膚，避開橈骨頭和尺骨莖突；避免將手表配戴于黑色刺青上。
結(jié)語
對于心率傳感器，我們必須明白的事：
單純給出心率數(shù)值對用戶來說并沒有太大意義，如果能夠持續(xù)測量，并通過一段時(shí)間的心率數(shù)據(jù)給出睡眠質(zhì)量/休息時(shí)間等健康建議則會(huì)對用戶有很大幫助。目前絕大部分移動(dòng)終端用的都是光電心率傳感器，相比電極式心率傳感器誤差幾率較大。電極式心率傳感器目前還無法應(yīng)用于較小的穿戴設(shè)備上，但目前已經(jīng)有廠商在為此而努力了。相信未來會(huì)成為高端設(shè)備的標(biāo)志配件。
參考文獻(xiàn)
光學(xué)心率傳感器的用途及基本工作原理解析 - MEMS/傳感技術(shù) - 電子發(fā)燒友網(wǎng)智能穿戴中都有哪些傳感器？了解這十個(gè)就夠了光學(xué)心率傳感器原理概述！ - TI論壇 - 中國電子技術(shù)論壇 - 廣受歡迎的專業(yè)電子論壇!心率傳感器：心跳的秘密_平板電腦評測-中關(guān)村在線光電式脈搏傳感器的原理 - 百度文庫有關(guān)您心率的方方面面，如何在 Apple Watch 上一覽無余。全球規(guī)模最大的心率量測研究 Apple Watch傳感器可計(jì)算心跳頻率蘋果Apple Watch可監(jiān)測心律失常 準(zhǔn)確度竟高達(dá)97%
光電傳感器 心率：光學(xué)心率傳感器工作原理
不少業(yè)內(nèi)人士都認(rèn)為未來可穿戴智能手表、手環(huán)需要向著更加專業(yè)化和細(xì)分化的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，其中針對運(yùn)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Apple Watch來了解一下光學(xué)心率監(jiān)測的原理。
本文引用地址： watch心率監(jiān)測
心率監(jiān)測可以說是Apple Watch最具革命性的一大功能，它究竟是如何實(shí)現(xiàn)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(dāng)其處于15攝氏度（59華氏度）以下的低溫時(shí)，通過測量綠光的吸收狀況來獲取更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。而高溫環(huán)境下，比如用戶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(zhuǎn)換到紅外光模式。
這種用于血流檢測的光學(xué)技術(shù)，專業(yè)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(shí)底部的表盤會(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(cè)會(huì)影響測量結(jié)果。接下來將詳細(xì)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LED燈發(fā)光就能測量心率呢？
當(dāng)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并轉(zhuǎn)換成電信號再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，簡化過程：光---> 電 ---> 數(shù)字信號
為什么大多數(shù)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(gè)特點(diǎn)：
1. 皮膚的黑色素會(huì)吸收大量波長較短的波
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(xì)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(shù)采用紅光為光源，隨著進(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(xiàn)在大部分穿戴設(shè)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(jù)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光照就能測出心率、血氧等參數(shù)呢？
下圖就解釋了核心原理
當(dāng)光照透過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（前提是測量部位沒有大幅度的運(yùn)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(dāng)我們把光轉(zhuǎn)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(yīng)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
光電傳感器 心率：光電式心率檢測傳感器方案（可穿戴方向）
展開全文
本方案介紹的是針對可穿戴設(shè)備而開發(fā)出的一款心率傳感器——LST1303，它是一款雙綠色LED型反射式光電傳感器,其是將一種綠色LED (發(fā)光波長570nm)和采用高科技納米涂層的環(huán)境光檢查傳感器組合封裝的新型產(chǎn)品，適合檢測脈搏用的高性能醫(yī)療保健設(shè)備與智能穿戴產(chǎn)品。ps：國內(nèi)首家。
目前有些光電型檢測脈搏設(shè)備主要是使用紅外光來測量血液。LST1303與之不同的是使用了570nm發(fā)光波長的雙綠光，這樣能實(shí)現(xiàn)高感度測量。此產(chǎn)品同樣也是采用了反射式光電傳感器，把綠色LED和高科技納米涂層環(huán)境光檢查傳感器組合封裝入小型COB封裝。內(nèi)部集成一級放大器，與采用普通光敏器件相比較，性能與靈敏度更優(yōu)，這樣，可自由靈活的測量身體部位，廣泛用于可佩戴式智能電子產(chǎn)品以及新式測試方法的脈搏測量儀器等各種醫(yī)療保健設(shè)備。
方案特點(diǎn)
1．能擴(kuò)大脈搏測量配套設(shè)備的應(yīng)用范圍，LST1303采用的反射式光電傳感器使測量方式更加自由，應(yīng)用范圍遍及可佩戴式電子產(chǎn)品以及新式測試方法的脈搏測量儀器；
2. 內(nèi)部集成高科技納米涂層環(huán)境光檢測傳感器，過濾不需要的光源，減少由其他光源干擾的誤判動(dòng)作，準(zhǔn)確度高；
3．使用了最適合測量脈搏用的發(fā)光波長；
4. LST1303采用了570nm發(fā)光波長的綠光，與紅外光相比反射率更高，測量感度更高，同時(shí)提高了S/N比特性；
部分性能指標(biāo)
光電性能參數(shù)
應(yīng)用電路與應(yīng)用實(shí)例
可應(yīng)用于智能手環(huán)、手表和其他可穿戴
方案議點(diǎn)
1、環(huán)境光的引入和測量精度問題
在該方案的討論中，有用戶提出過相關(guān)的問題。廠家給出的解答：環(huán)境光的引入誤差問題，方案采用專業(yè)技術(shù)，定點(diǎn)接收波長，誤差基本沒有或者很少。 有關(guān)測試精度問題，主要取決于算法。方案能夠定點(diǎn)接收570nm的波長，過濾掉非人體的反射光的干擾。
2、LED功耗問題
由于方案帶有兩個(gè)LED，對于可穿戴設(shè)備來說功耗略大。對于這個(gè)問題，網(wǎng)友給出了兩個(gè)解決方案：
方案一：
（1） 大電流脈沖式點(diǎn)亮LED，提高信號強(qiáng)度。
（2）后級用有禁用引腳的運(yùn)放搭建成I/V轉(zhuǎn)換器，提高整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。只在ADC采集的時(shí)候才使能運(yùn)放，以減少電流消耗。
（3）I/V轉(zhuǎn)換后直接送12位ADC，不要額外的濾波。因?yàn)闉V波器響應(yīng)慢，不適合以脈沖方式工作的運(yùn)放。
（4）每次采集LED反光信號之前，先采集一次環(huán)境光信號，兩者的差值就是刨掉了環(huán)境光影響的測量信號。
（5）人的心率最高不到300 bpm，按4倍率采樣就足夠反映心率的各種變化，因此每分鐘至少測量1200次，即每秒20次。如果提高到每秒25次，還可以使漏光看起來不閃爍。
方案二：
（1）光電傳感器的光色選擇性怎樣？如果選色型不好恐怕得外加濾光片；
（2）發(fā)光LED和傳感器的時(shí)間特性非常重要，這是解決功耗問題的物理基礎(chǔ)；
（3）采用低占空比的收發(fā)同步方法可以降低功耗1~2個(gè)數(shù)量級，并且允許提高脈沖電流到10~20mA；
（4）環(huán)境光不會(huì)Hz級波動(dòng)，檢測LED脈沖打開和關(guān)閉時(shí)傳感器的輸出差值就消除了環(huán)境光的干擾；
（5）用軟件去除非對稱孤立脈動(dòng)、僅認(rèn)可脈搏預(yù)測窗口內(nèi)的信號（此措施會(huì)縮小脈搏跟蹤范圍，慎用），可以再消除剩余的環(huán)境干擾。
3、健康方案的可穿戴離不開精密的傳感器，但目前來說國內(nèi)涉足這塊的廠商很少，導(dǎo)致對于該方案還沒有宏觀的概念，對此比較專業(yè)的網(wǎng)友做出了一些解讀。
人體心率脈搏的檢測是醫(yī)療保健重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，而在中醫(yī)脈搏的檢測（診脈）是十分的講究，也就是不同的脈搏波形代表著人體不同的癥候，診脈就是憑中醫(yī)的經(jīng)驗(yàn)判斷脈搏波形對應(yīng)的人體疾病癥候，而LST1303是一款雙綠色LED型反射式光電傳感器，其【特點(diǎn)】：
（1）擴(kuò)大脈搏測量配套設(shè)備的應(yīng)用范圍，LST1303采用的反射式光電傳感器使測量方式更加自由，應(yīng)用范圍遍及可佩戴式電子產(chǎn)品以及新式測試方法的脈搏測量儀器；
（2）內(nèi)部集成高科技納米涂層環(huán)境光檢測傳感器，過濾不需要的光源，減少由其他光源干擾的誤判動(dòng)作，準(zhǔn)確度高；
（3）使用了最適合測量脈搏用的發(fā)光波長；
（4）LST1303采用了570nm發(fā)光波長的綠光，與紅外光相比反射率更高，測量感度更高，同時(shí)提高了S/N比特性；
正在探索人體的多維檢測，LST1303采用高科技納米涂層的環(huán)境光檢查傳感器組合封裝的新型產(chǎn)品，適合檢測脈搏用的高性能醫(yī)療保健設(shè)備與智能穿戴產(chǎn)品，人體的多維檢測中用其制作一款實(shí)用的中醫(yī)脈搏診療系統(tǒng)將是不錯(cuò)的選擇。
該傳感器方案的樣片可以在原帖直接向廠家申請，目前來說這是國內(nèi)首家。
原帖地址：
光電傳感器 心率：科普一分鐘：心率監(jiān)測儀發(fā)綠光和紅光有何不同
原標(biāo)題：科普一分鐘：心率監(jiān)測儀發(fā)綠光和紅光有何不同
點(diǎn)評：一般情況下，發(fā)綠光的一般比發(fā)紅光的好。
心率監(jiān)測是目前很火的功能，除了蘋果表外，摩托360手表、新款Fitbit等智能可穿戴設(shè)備也都玩了起來（甚至比蘋果表更早），而且包括三星Galaxy S5在內(nèi)的一些手機(jī)也都具備這一功能了。
那么，心率監(jiān)測準(zhǔn)不準(zhǔn)呢？為什么有些心率監(jiān)測儀發(fā)綠光而有些則發(fā)紅光呢？下面我們就簡單了解一下。
心率監(jiān)測的方法
常見的方法有兩種：心動(dòng)電流測量法和光電透射測量法。
心動(dòng)電流測量法，在醫(yī)院中測量心電圖時(shí)經(jīng)常會(huì)看到，通過測量人體不同點(diǎn)的電勢變化，從而測量出心率變化，該方法測量精準(zhǔn)，但必須同時(shí)監(jiān)測人體的兩個(gè)部位，而我們平時(shí)用手機(jī)和手表的時(shí)候都是單手接觸產(chǎn)品，所以無法做到持續(xù)監(jiān)測。
光電透射測量法，可穿戴設(shè)備上一般都采用這個(gè)，它是一種通過光反射測量的光電心率傳感器以及利用人體不同部位電勢測量的電極式心率傳感器。特點(diǎn)是，準(zhǔn)確度欠佳，但優(yōu)勢在于體積小。
光電測量法又分兩種情況
這兩種情況就是，一個(gè)發(fā)綠光（蘋果表），一個(gè)發(fā)紅光（Galaxy S5），無論是哪一種，這些光都是LED燈發(fā)出來的。
發(fā)紅光，是利用血管內(nèi)血液血紅蛋白的吸光度的變化來測量脈搏，靠紅外發(fā)射光束回路和接收反射回路，但信號極為微弱而非常容易受到外界干擾而造成測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，且一般需要安靜的狀態(tài)下測量。
發(fā)綠光，是由兩個(gè)綠色波長的發(fā)光LED 和一個(gè)光敏傳感器組成，其原理是基于手臂血管中的血液在脈動(dòng)的時(shí)候會(huì)發(fā)生密度改變而引起透光率的變化。它可以持續(xù)測量心率（運(yùn)動(dòng)中亦可），計(jì)算平均心率，記錄最大心率等。
所以買可穿戴設(shè)備時(shí)可以長個(gè)心眼：發(fā)綠光的要比發(fā)紅光的好。
蘋果表的心率監(jiān)測靠譜不？
答案是很靠譜，據(jù)舊金山大學(xué)一份報(bào)告顯示，準(zhǔn)確率可達(dá)99％。
因?yàn)樘O果表的心率監(jiān)測更復(fù)雜先進(jìn)，除了使用綠色LED燈外，還會(huì)使用紅外線來監(jiān)測心率。紅外線模式就是它每10分鐘測量一次心率時(shí)所使用的方式，只有在紅外線系統(tǒng)不足以提供準(zhǔn)確的讀數(shù)時(shí)，Apple Watch才會(huì)切換到綠色LED。
當(dāng)然，它也不是完美的，紋身會(huì)影響準(zhǔn)確性，佩戴方式也會(huì)直接影響心率的采集成功率，總之要想準(zhǔn)，就要盡可能地接近真實(shí)的皮膚。
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