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(lái)可穿戴智能手表、手環(huán)需要向著更加專(zhuān)業(yè)化和細(xì)分化的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，其中針對(duì)運(yùn)動(dòng)人群和健康檢測(cè)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(jiān)測(cè)的原理。

Apple watch心率監(jiān)測(cè)

心率監(jiān)測(cè)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(xiàn)的？Apple Watch利用LED綠光和紅外光，以及兩種光傳感器來(lái)檢測(cè)心率。當(dāng)其處于15攝氏度（59華氏度）以下的低溫時(shí)，通過(guò)測(cè)量綠光的吸收狀況來(lái)獲取更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。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(cè)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(cè)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(cè)量心率時(shí)底部的表盤(pán)會(huì)發(fā)出綠色的燈光，并且測(cè)量的時(shí)候手腕最好保持不動(dòng)否側(cè)會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。接下來(lái)將詳細(xì)介紹光學(xué)心率測(cè)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(cè)量心率呢？

當(dāng)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(zhuǎn)換成電信號(hào)再經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，簡(jiǎn)化過(guò)程：光---> 電 ---> 數(shù)字信號(hào)

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(xiàn)到紅外線(xiàn)的波長(zhǎng)是越來(lái)越長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(duì)比，綠光作為光源得到的信號(hào)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(guò)光照就能測(cè)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(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(duì)光的吸收是基本不變的（前提是測(cè)量部位沒(méi)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(duì)光的吸收自然也有所變化。當(dāng)我們把光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)時(shí)，正是由于動(dòng)脈對(duì)光的吸收有變化而其他組織對(duì)光的吸收基本不變，得到的信號(hào)就可以分為直流DC信號(hào)和交流AC信號(hào)。提取其中的AC信號(hào)，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