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穿戴式手环中的光学心率感测器应用
完整且准确的智慧测量

【作者: Peter Trattler】2017年08月09日 星期三

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很多消费型装置制造商都想从方便且无时无刻都能进行心率测量(HRM)的市场中分一杯羹。现今消费者可以从数十种健身手环、智慧手表和手环式健康监控装置中进行选择,其中很多都采用了光学心率测量技术。经过仔细的设计并正确地戴在手腕上,对於大多数人和大部分的应用,这些装置可以取代胸带式心跳带。


虽然胸带式心跳带是测量心率成熟而且准确的方法,但长期使用时,人会感到不太舒适,并且不能像健身手环或者智慧手表那样整合其他实用的功能。所以毫无疑问地如果手环的准确度与心跳带差不多,消费者会更喜欢手环式装置。


然而,在现实中,消费者对手环式HRM技术的体验至今为止还不尽人意:光学HRM的基本操作看起来虽然很简单,但在手环式装置中应用该技术时,还要克服相当多的技术难题,例如:


· 噪音


· 可测得的讯号微弱


· 移动性假象的振幅


· 不同人的手腕围之间差异很大


这些都不利於提取出完整而且准确的心率讯号。本文介绍在推出新手环式产品时必须要考虑重要的机械、光学、电路和软体设计的注意事项,并检查测试结果,以验证手环式心率感测器所能达到的准确度,帮助设计师解决这些问题。


心率测量的运作原理

光学心率测量感测是基於光体积变化描记图的原理。心脏每次跳动时,血液通过血管时的压力脉冲会导致血管稍微膨胀一些。动脉血管体积的变化导致其光透射率发生改变。在光体积变化描记图中,LED发出的光照射到身体组织中,光电二极体测量透过它们的透光量。心跳由测量值中的高点表示。


在手环里实现光体积变化描记图(PPG)的难度大幅提升,因为可测量的讯号非常的微弱。LED发出的光不仅透过血管,也会透过手腕的组织和其他部分。此外,压力脉冲只是让血管稍微扩张,膨胀引起的光透射率的变化也非常小。通常,接收讯号的调变深度仅为0.1%。


传递到光电二极体的光亮度的微小变化很容易被噪音淹没。最麻烦的噪音来源是移动,例如走路。小幅的手指或手的动作实际上所产生的光亮度的变化比手臂动作产生的变化要更大一些。这是因为肌腱的动作恰好在感测器下方,握住手和松开手时手腕的直径是不同的,导致手环对皮肤造成的压力改变,也就改变了感测器与皮肤表面之间的光学耦合特性。


适用於隔离讯号和降低噪音的技术

在手环式PPG应用中要解决的基本问题是保持所需讯号的完整性,同时降低各种噪音来源的影响。


降低移动式噪音振幅最重要的方法是机械性的:感测器在皮肤上的位置需要保持不变,因为即使相对於皮肤很小的动作也会产生很大的移动讯号。手环的佩戴应该让人感到舒适贴身,还需要特别注意感测器在手腕上的位置:距离手腕关节约为两个手指宽度。如果在腕关节上,或者距离腕关节太近,感测器会产生大量的移动噪音。此外,这个区域的身体组织的特点是血液灌流低,使得PPG讯号特别弱。


机械式设计必须要考虑到人体的巨大差异。人体的手腕直径、腕部曲率、灌流深度、手腕毛发密度和?色以及皮肤?色各不相同,这些都会对光学讯号有不同的影响。甚至纹身也会干扰感测器的光线反射。一般的建议是,小型装置可以用於小手腕和大手腕,而大型装置不适合小手腕。除此之外,每个OEM制造商都必须试验他们所选择的手环材质、尺寸、外观和形状,一方面要花费大量时间来确定PPG感测器性能是否有竞争力,另一方面还要考虑款式、时尚和美学要求。


手环设计人员还会发现,移动噪声绝对不是唯一干扰PPG讯号的噪音来源,例如,还要控制光学串音的影响。


当使用者的皮肤较黑时,感测器会自动提升绿色LED的亮度,因为深色皮肤对绿光的衰?会比浅色皮肤的更大。然而,在高亮度下,串音可能会使感测器饱和。当从感测器的(玻璃或塑胶)外壳的内表面及外表面被反射出来的LED光没有穿透使用者皮肤且接触到发光二极体时,串音会发生。


串音不可能完全消除,但是手还能被设计成将串音保持在安全水平以下。奥地利微电子可为采用ams AS7000光学生物感测器系统晶片的使用者提供光学模拟(光线追踪)服务,以协助用户设计出可满足对光学性能要求的模型(见图一)。



图一 : HRM感测器的机械设计(左)及其模拟光线追踪(右)的透视图
图一 : HRM感测器的机械设计(左)及其模拟光线追踪(右)的透视图

为了简化模型的结果,图二只显示出那些从玻璃外壳反射後实际接触到感测器的光线。



图二 : 模拟的光线追踪显示了在采用大气隙和厚玻璃(左)以及小气隙和薄玻璃(右)两种感测器设计下的干扰结果。
图二 : 模拟的光线追踪显示了在采用大气隙和厚玻璃(左)以及小气隙和薄玻璃(右)两种感测器设计下的干扰结果。

这些模型说明了手环设计人员大致上有两种选择来让光学串音保持在安全水平以下:制造气隙非常小的PPG感测器;或是加上一个光罩。


奥地利微电子客户的经验是将气隙大小保持在最低限度是更有效的选择。这是因为光罩降低了讯号?度,使感测器更容易受到像是移动噪音等其他噪音来源的影响,并且还增加了LED的功耗。


串音不是光学噪音的唯一来源:明亮的阳光也有可能透过皮肤接触到感测器的光电二极体。在奥地利微电子的AS7000生物感测器中,使用整合式的滤光器来滤掉阳光中的大部分非绿色分量。然而感测器上的LED是绿色的,因此该滤光器允许绿光通过包括阳光中的绿色分量。


为减少(绿色部分的)阳光带来的干扰,AS7000会调变LED所发出的光,并搭载能相对解调的光电二极体,然後感测器中的数位电路就可以去除由阳光引起的非调变光学噪音。


光调变也提升了系统的电路性能:SSoC运算放大器的噪音表现只需要针对调变频率进行优化。这意味着可以忽略1/f噪音,因为这种噪音主要出现在低於调变频率的频率范围内。


因为PPG输出讯号非常小,所以还必须仔细调整电路设计,以便提取出目标频带中的讯号(通常为0.5Hz-4Hz,对应30bpm-240bpm的心率)。同时,周边元件的噪声必须最小化。


在AS7000装置中,软体演算法把PPG讯号转换为心率测量结果。除此之外,它能除掉由外部加速度计提供的移动所诱发的讯号:加速度计只提供移动讯号,而PPG同时包含了移动和心率讯号。这样可以扣除PPG讯号中的由移动所诱发的讯号部分,只留下心率部分。


因为必须考虑所有的操作条件,奥地利微电子这项演算法的操作比文中所建议的更为复杂。例如,对於移动讯号就刚好是心率讯号的谐波频率可能比所猜想的还要常见。有些人似??是依照心跳节奏来走路!奥地利微电子在AS7000 的演算法允许主处理器在读出间隔期间进入休眠状态。


测试手环HRM感测器的方法

藉由实施上述的降噪方法,HRM手环能?产生精确的测量结果,测试将验证是否正确,手环的早期样品应先进行静态测试。这些测试验证感测器在静态时的性能:在测试期间,手和手指应平放在桌子上不动。其结果应与感测器制造商提供的叁考套件的结果进行比较。在测试时,待测手环和感测器供应商提供的叁考手环应分别戴在左右手上,同时应佩戴一个胸带式心跳带。两个装置不应该戴在同一只手上,因为远离手腕关节的装置会有明显的优势。


奥地利微电子为装置提供一个使用Android操作环境的应用程式:可以用於同步采用了AS7000感测器的测试结果与由蓝牙胸带式心跳带的HRM讯号(叁见图三)。



图三 : 适用於平板电脑和智慧型手机的ams AS7000测试应用程式
图三 : 适用於平板电脑和智慧型手机的ams AS7000测试应用程式

如果通过了静止测试,则需要在模拟真实条件下验证系统性能,这包括了多种型态的移动。例如,奥地利微电子实施了在跑步机上进行的「步行-慢跑-快跑(WJR,Walk-Jog-Run)」测试流程:


-1分钟保持不动,


以每小时5公里的速度走2分钟,


-1分钟保持不动


以每小时8公里的速度慢跑3分钟,


-2分钟保持不动


以每小时8-10公里的速度跑2分钟


以每小时10-12公里的速度跑1分钟


以每小时5公里的速度走3分钟


-2分钟保持不动


由於PPG讯号会因不同的人体测试而有很大的变化,因此,应该采用10个以上的样本。为了验证在阳光下的性能,应该比较在室内外的测试结果:两个测试结果不应该有任何差别。


一旦采集了所有测试数据,就需要设置性能基准。例如,OEM制造商可以定义一个以时间百分比表示的分值,即手环测量的心率在叁考的胸带式心跳带测量值的±5%以内的时间与总测试时间之比较。


以AS7000 SSoC为基础的奥地利微电子叁考设计的性能违反这项基准的评估,如图4所示。虚线显示以叁考心率为中心的±5%偏差范围。该系统采用了WJR协议进行测试。以AS7000为基础的系统所提供的测量心率在96%的测试时间内均位於这一偏差范围之内。



图四 : 以AS7000为基础的HRM手环的WJR测试结果;x轴是以秒为单位表示的时间,y轴是以BPM表示的心率
图四 : 以AS7000为基础的HRM手环的WJR测试结果;x轴是以秒为单位表示的时间,y轴是以BPM表示的心率

结论

本文显示出使用光学PPG感测器手环的HRM性能被处理移动、光学和电力噪音的各种来源的方法,以及转换自然光讯号为每分钟心跳次数讯号的演算法精密程度强烈的影响着。


具有系统的机械、光学、电路及软体元件的仔细设计,并且藉由告知终端用户正确的佩戴方式,在大多数情?下HRM性能都表现非常良好,可以预见,胸带式心跳带将会被渐渐地淘汰。


(本文作者Peter Trattler为奥地利微电子光学产品的资深产品经理,专长是生物感测器技术)


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