可穿戴設(shè)備用光學(xué)式脈搏傳感器技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)用事例

作者/ROHM SEMICONDUCTOR （羅姆半導(dǎo)體集團(tuán)）供稿

0 引言

光學(xué)式脈搏傳感器是利用半導(dǎo)體技術(shù)之一光傳感技術(shù)進(jìn)行脈搏測(cè)量的傳感器。這種光傳感技術(shù)是使光源（LED）照射生物體，利用感光部--光電二極管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“光電Di”）或光電晶體管，來(lái)測(cè)量生物體中透射或反射的光的技術(shù)。動(dòng)脈血液中存在具有吸光特性的血紅蛋白，所以通過(guò)按時(shí)間序列感測(cè)光量，可獲取血紅蛋白量的變化即脈搏信號(hào)。

近年來(lái)，搭載市售光學(xué)式脈搏傳感器的智能手環(huán)和智能手表中，考慮到與皮膚間的穿戴性能和負(fù)荷，主流產(chǎn)品大多選用使用綠色光的反射型光傳感器。由于綠色光對(duì)生物體的穿透深度較淺，不易受血液以外的組織影響，另外，血紅蛋白的吸光系數(shù)較大，因而可測(cè)量脈動(dòng)成分較大的脈搏信號(hào)。

本文將介紹非常適用于可穿戴式設(shè)備的ROHM光學(xué)式脈搏傳感器“BH1790GLC”的特性及其應(yīng)用。

1 可穿戴式設(shè)備用脈搏傳感器需要具備的規(guī)格

1.1 低功耗

可穿戴式設(shè)備由于需要穿戴到身體上，所以對(duì)設(shè)備本身的尺寸和重量有限制，電池容量很難增加。因此使之低功耗工作是非常重要的。圖1表示脈搏傳感器的消耗電流情況。采用以往技術(shù)的脈搏傳感器中，LED驅(qū)動(dòng)部、模擬前端（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“AFE”）部的消耗電流均較大。而BH1790GLC為了降低LED驅(qū)動(dòng)部的電流，提高了感光部的靈敏度，以便在LED亮度較低的條件下也可獲取脈搏信號(hào)，并將AFE部集成到1枚芯片，從而有效降低了消耗電流。

下面具體介紹一下提高感光部靈敏度的手法。以往的技術(shù)是使用跨阻放大器電路（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“TIA電路”）將光電Di產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換為電壓。TIA電路是使用放大器和電阻將光電Di產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換為電壓的電路。但是，光線(xiàn)照射到光電Di時(shí)產(chǎn)生的電流非常小，而提高靈敏度需要增加電阻值，因此放大器的噪聲和電阻的熱噪聲一直是亟需解決的問(wèn)題。

BH1790GLC采用積分型電荷放大器，實(shí)現(xiàn)了更高靈敏度(圖2)。積分型電荷放大器通過(guò)將一定期間內(nèi)光電Di的電流充電到電容器而將電流轉(zhuǎn)換為電壓的方式，來(lái)過(guò)濾充電期間的噪聲，從而可降低噪聲。因此可低噪聲測(cè)光，并可提高感光部的靈敏度。如果感光部的靈敏度更高，采用較小的感光元件也可充分測(cè)光，所以光電Di和AFE部更易于集成在1枚芯片上。而且，在低亮度條件下也可測(cè)量脈搏，可減少LED驅(qū)動(dòng)部的消耗電流。BH1790GLC通過(guò)采用積分型電荷放大器，消耗電流與以往技術(shù)相比減少達(dá)85％。

圖1　脈搏傳感器消耗電流情況

圖2　電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器電路例

1.2 紅外線(xiàn)濾除特性

可穿戴式設(shè)備由于也在戶(hù)外使用，所以需要使用濾除容易穿透人體的紅外線(xiàn)等干擾光的光傳感器。使用普通Si PCB板的光電Di在紅外線(xiàn)波長(zhǎng)(850nm)附件靈敏度較高，因此容易受干擾光影響。

而BH1790GLC搭載的光電Di在綠色波段530nm附近靈敏度達(dá)到峰值。這種Di是利用從Si表面到PN結(jié)部的距離越淺靈敏度的峰值越偏移到短波長(zhǎng)端的性質(zhì)，使用配置于Si表面較淺部分的光電Di來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

不僅如此，BH1790GLC還在Si PCB板上配置了彩色膜和多層膜濾光片2種光學(xué)濾光片，來(lái)濾除紅色光和紅外線(xiàn)成分。彩色膜濾光片具有濾除紅色光的特性，多層膜濾光片具有濾除紅外光的特性，這使感光部?jī)H允許綠色波段的光通過(guò)。(圖3)。

使用BH1790GLC和普通光電Di實(shí)際測(cè)量脈搏信號(hào)的結(jié)果如圖4所示。在產(chǎn)生干擾光的環(huán)境下測(cè)量脈搏信號(hào)時(shí)，普通光電Di由于干擾光成分與脈搏信號(hào)疊加而噪聲增大，而BH1790GLC受干擾光的影響非常小，可穩(wěn)定獲取脈搏。這使在陽(yáng)光普照的海灘和公園等戶(hù)外也可獲取高品質(zhì)的脈搏信號(hào)，是非常適用于可穿戴式設(shè)備的脈搏傳感器。

圖3 BH1790GLC感光部的分光特性

圖4　在干擾光環(huán)境下的脈搏信號(hào)比較

2 脈搏傳感器系統(tǒng)

此次制作了使用BH1790GLC測(cè)量脈率的手環(huán)式脈搏計(jì)。脈搏傳感器部由脈搏傳感器(ROHM公司 BH1790GLC)、LED(ROHM公司 SMLE13EC8T)、加速度傳感器(Kionix公司 KX-022)、微控制器(藍(lán)碧石半導(dǎo)體公司ML630Q791)組成(圖5)。與外部的通信通過(guò)安裝于另外PCB板的Bluetooth LE模塊(藍(lán)碧石半導(dǎo)體公司MK71050-03)進(jìn)行。

使用制作的脈搏計(jì)測(cè)量的脈搏信號(hào)如圖6所示。

圖5　使用BH1790GLC的脈搏計(jì)

圖6　使用BH1790GLC測(cè)量的脈搏信號(hào)

3 脈搏算法

從圖6的結(jié)果明確可知，由于毛細(xì)血管的密度不同，不同測(cè)量部位的脈搏信號(hào)水平差異很大。在指尖和耳垂可獲得較大的脈搏信號(hào)，而在戴著智能手環(huán)等的手腕獲得的脈搏信號(hào)偏小。另外，手腕在日常生活中也屬于經(jīng)?；顒?dòng)的部位，受體動(dòng)噪聲的影響較大。因此根據(jù)手腕的脈搏信號(hào)很難準(zhǔn)確計(jì)算脈率。

針對(duì)這個(gè)課題，ROHM使用加速度傳感器，開(kāi)發(fā)出內(nèi)置消除體動(dòng)噪聲功能的脈率算法。體動(dòng)噪聲是由身體活動(dòng)帶來(lái)的傳感器位置偏差和血流變化引起的，因此噪聲成分與加速度傳感器的信號(hào)有關(guān)。利用該現(xiàn)象，創(chuàng)建了從加速度傳感器提取體動(dòng)噪聲成分，消除脈搏信號(hào)中所含的噪聲干擾的算法。圖7是實(shí)際的跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的脈率曲線(xiàn)與電極型心率監(jiān)測(cè)儀測(cè)量的結(jié)果比較。搭載ROHM算法的演示機(jī)相比心率監(jiān)測(cè)儀表現(xiàn)出良好的追蹤性，受體動(dòng)噪聲的影響較小，可高精度地計(jì)算出脈率。

圖7　跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的脈率測(cè)量結(jié)果

4 未來(lái)展望

脈搏計(jì)作為使用脈搏信號(hào)的應(yīng)用已經(jīng)得到普及，通過(guò)脈搏波動(dòng)分析而獲取壓力信息、通過(guò)波形分析而獲取血壓信息等應(yīng)用的開(kāi)發(fā)進(jìn)程也在加速。當(dāng)將這些功能搭載到可穿戴式設(shè)備上并可以穩(wěn)定地測(cè)量時(shí)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)每日的身體狀態(tài)變化及早捕捉疾病預(yù)兆將指日可待。如今，ROHM也正在致力于支持這些生物體信息測(cè)量的脈搏傳感器開(kāi)發(fā)。

要想通過(guò)脈搏進(jìn)行壓力測(cè)量或獲取血壓信息，需要提高脈搏信號(hào)的時(shí)間分辨率。于是ROHM試制了將采樣頻率提高到1024Hz的脈搏傳感器。如圖8所示，經(jīng)確認(rèn)，該脈搏傳感器可高分辨率且高精度地檢測(cè)脈搏信號(hào)。今后ROHM還將致力于開(kāi)發(fā)使用該脈搏傳感器計(jì)算壓力和血壓信息的算法。

圖8 BH1790GLC和1024Hz采用頻率產(chǎn)品的脈搏信號(hào)比較