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穿戴式手環中的光學心率感測器應用
完整且準確的智慧測量

【作者: Peter Trattler】   2017年08月09日 星期三

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很多消費型裝置製造商都想從方便且無時無刻都能進行心率測量(HRM)的市場中分一杯羹。現今消費者可以從數十種健身手環、智慧手錶和手環式健康監控裝置中進行選擇,其中很多都採用了光學心率測量技術。經過仔細的設計並正確地戴在手腕上,對於大多數人和大部分的應用,這些裝置可以取代胸帶式心跳帶。


雖然胸帶式心跳帶是測量心率成熟而且準確的方法,但長期使用時,人會感到不太舒適,並且不能像健身手環或者智慧手錶那樣整合其他實用的功能。所以毫無疑問地如果手環的準確度與心跳帶差不多,消費者會更喜歡手環式裝置。


然而,在現實中,消費者對手環式HRM技術的體驗至今為止還不盡人意:光學HRM的基本操作看起來雖然很簡單,但在手環式裝置中應用該技術時,還要克服相當多的技術難題,例如:


‧ 噪音


‧ 可測得的訊號微弱


‧ 移動性假象的振幅


‧ 不同人的手腕圍之間差異很大


這些都不利於提取出完整而且準確的心率訊號。本文介紹在推出新手環式產品時必須要考慮重要的機械、光學、電路和軟體設計的注意事項,並檢查測試結果,以驗證手環式心率感測器所能達到的準確度,幫助設計師解決這些問題。


心率測量的運作原理

光學心率測量感測是基於光體積變化描記圖的原理。心臟每次跳動時,血液通過血管時的壓力脈衝會導致血管稍微膨脹一些。動脈血管體積的變化導致其光透射率發生改變。在光體積變化描記圖中,LED發出的光照射到身體組織中,光電二極體測量透過它們的透光量。心跳由測量值中的高點表示。


在手環裡實現光體積變化描記圖(PPG)的難度大幅提升,因為可測量的訊號非常的微弱。LED發出的光不僅透過血管,也會透過手腕的組織和其他部分。此外,壓力脈衝只是讓血管稍微擴張,膨脹引起的光透射率的變化也非常小。通常,接收訊號的調變深度僅為0.1%。


傳遞到光電二極體的光亮度的微小變化很容易被噪音淹沒。最麻煩的噪音來源是移動,例如走路。小幅的手指或手的動作實際上所產生的光亮度的變化比手臂動作產生的變化要更大一些。這是因為肌腱的動作恰好在感測器下方,握住手和鬆開手時手腕的直徑是不同的,導致手環對皮膚造成的壓力改變,也就改變了感測器與皮膚表面之間的光學耦合特性。


適用於隔離訊號和降低噪音的技術

在手環式PPG應用中要解決的基本問題是保持所需訊號的完整性,同時降低各種噪音來源的影響。


降低移動式噪音振幅最重要的方法是機械性的:感測器在皮膚上的位置需要保持不變,因為即使相對於皮膚很小的動作也會產生很大的移動訊號。手環的佩戴應該讓人感到舒適貼身,還需要特別注意感測器在手腕上的位置:距離手腕關節約為兩個手指寬度。如果在腕關節上,或者距離腕關節太近,感測器會產生大量的移動噪音。此外,這個區域的身體組織的特點是血液灌流低,使得PPG訊號特別弱。


機械式設計必須要考慮到人體的巨大差異。人體的手腕直徑、腕部曲率、灌流深度、手腕毛髮密度和顏色以及皮膚色各不相同,這些都會對光學訊號有不同的影響。甚至紋身也會干擾感測器的光線反射。一般的建議是,小型裝置可以用於小手腕和大手腕,而大型裝置不適合小手腕。除此之外,每個OEM製造商都必須試驗他們所選擇的手環材質、尺寸、外觀和形狀,一方面要花費大量時間來確定PPG感測器性能是否有競爭力,另一方面還要考慮款式、時尚和美學要求。


手環設計人員還會發現,移動噪聲絕對不是唯一干擾PPG訊號的噪音來源,例如,還要控制光學串音的影響。


當使用者的皮膚較黑時,感測器會自動提升綠色LED的亮度,因為深色皮膚對綠光的衰減會比淺色皮膚的更大。然而,在高亮度下,串音可能會使感測器飽和。當從感測器的(玻璃或塑膠)外殼的內表面及外表面被反射出來的LED光沒有穿透使用者皮膚且接觸到發光二極體時,串音會發生。


串音不可能完全消除,但是手還能被設計成將串音保持在安全水平以下。奧地利微電子可為採用ams AS7000光學生物感測器系統晶片的使用者提供光學模擬(光線追蹤)服務,以協助用戶設計出可滿足對光學性能要求的模型(見圖一)。



圖一 : HRM感測器的機械設計(左)及其模擬光線追蹤(右)的透視圖
圖一 : HRM感測器的機械設計(左)及其模擬光線追蹤(右)的透視圖

為了簡化模型的結果,圖二只顯示出那些從玻璃外殼反射後實際接觸到感測器的光線。



圖二 : 模擬的光線追蹤顯示了在採用大氣隙和厚玻璃(左)以及小氣隙和薄玻璃(右)兩種感測器設計下的干擾結果。
圖二 : 模擬的光線追蹤顯示了在採用大氣隙和厚玻璃(左)以及小氣隙和薄玻璃(右)兩種感測器設計下的干擾結果。

這些模型說明了手環設計人員大致上有兩種選擇來讓光學串音保持在安全水平以下:製造氣隙非常小的PPG感測器;或是加上一個光罩。


奧地利微電子客戶的經驗是將氣隙大小保持在最低限度是更有效的選擇。這是因為光罩降低了訊號強度,使感測器更容易受到像是移動噪音等其他噪音來源的影響,並且還增加了LED的功耗。


串音不是光學噪音的唯一來源:明亮的陽光也有可能透過皮膚接觸到感測器的光電二極體。在奧地利微電子的AS7000生物感測器中,使用整合式的濾光器來濾掉陽光中的大部分非綠色分量。然而感測器上的LED是綠色的,因此該濾光器允許綠光通過—包括陽光中的綠色分量。


為減少(綠色部分的)陽光帶來的干擾,AS7000會調變LED所發出的光,並搭載能相對解調的光電二極體,然後感測器中的數位電路就可以去除由陽光引起的非調變光學噪音。


光調變也提升了系統的電路性能:SSoC運算放大器的噪音表現只需要針對調變頻率進行優化。這意味著可以忽略1/f噪音,因為這種噪音主要出現在低於調變頻率的頻率範圍內。


因為PPG輸出訊號非常小,所以還必須仔細調整電路設計,以便提取出目標頻帶中的訊號(通常為0.5Hz-4Hz,對應30bpm-240bpm的心率)。同時,周邊元件的噪聲必須最小化。


在AS7000裝置中,軟體演算法把PPG訊號轉換為心率測量結果。除此之外,它能除掉由外部加速度計提供的移動所誘發的訊號:加速度計只提供移動訊號,而PPG同時包含了移動和心率訊號。這樣可以扣除PPG訊號中的由移動所誘發的訊號部分,只留下心率部分。


因為必須考慮所有的操作條件,奧地利微電子這項演算法的操作比文中所建議的更為複雜。例如,對於移動訊號就剛好是心率訊號的諧波頻率可能比所猜想的還要常見。有些人似乎是依照心跳節奏來走路!奧地利微電子在AS7000 的演算法允許主處理器在讀出間隔期間進入休眠狀態。


測試手環HRM感測器的方法

藉由實施上述的降噪方法,HRM手環能?產生精確的測量結果,測試將驗證是否正確,手環的早期樣品應先進行靜態測試。這些測試驗證感測器在靜態時的性能:在測試期間,手和手指應平放在桌子上不動。其結果應與感測器製造商提供的參考套件的結果進行比較。在測試時,待測手環和感測器供應商提供的參考手環應分別戴在左右手上,同時應佩戴一個胸帶式心跳帶。兩個裝置不應該戴在同一隻手上,因為遠離手腕關節的裝置會有明顯的優勢。


奧地利微電子為裝置提供一個使用Android操作環境的應用程式:可以用於同步採用了AS7000感測器的測試結果與由藍牙胸帶式心跳帶的HRM訊號(參見圖三)。



圖三 : 適用於平板電腦和智慧型手機的ams AS7000測試應用程式
圖三 : 適用於平板電腦和智慧型手機的ams AS7000測試應用程式

如果通過了靜止測試,則需要在模擬真實條件下驗證系統性能,這包括了多種型態的移動。例如,奧地利微電子實施了在跑步機上進行的「步行-慢跑-快跑(WJR,Walk-Jog-Run)」測試流程:


-1分鐘保持不動,


以每小時5公里的速度走2分鐘,


-1分鐘保持不動


以每小時8公里的速度慢跑3分鐘,


-2分鐘保持不動


以每小時8-10公里的速度跑2分鐘


以每小時10-12公里的速度跑1分鐘


以每小時5公里的速度走3分鐘


-2分鐘保持不動


由於PPG訊號會因不同的人體測試而有很大的變化,因此,應該採用10個以上的樣本。為了驗證在陽光下的性能,應該比較在室內外的測試結果:兩個測試結果不應該有任何差別。


一旦採集了所有測試數據,就需要設置性能基準。例如,OEM製造商可以定義一個以時間百分比表示的分值,即手環測量的心率在參考的胸帶式心跳帶測量值的±5%以內的時間與總測試時間之比較。


以AS7000 SSoC為基礎的奧地利微電子參考設計的性能違反這項基準的評估,如圖四所示。虛線顯示以參考心率為中心的±5%偏差範圍。該系統採用了WJR協議進行測試。以AS7000為基礎的系統所提供的測量心率在96%的測試時間內均位於這一偏差範圍之內。



圖四 : 以AS7000為基礎的HRM手環的WJR測試結果;x軸是以秒為單位表示的時間,y軸是以BPM表示的心率
圖四 : 以AS7000為基礎的HRM手環的WJR測試結果;x軸是以秒為單位表示的時間,y軸是以BPM表示的心率

結論

本文顯示出使用光學PPG感測器手環的HRM性能被處理移動、光學和電力噪音的各種來源的方法,以及轉換自然光訊號為每分鐘心跳次數訊號的演算法精密程度強烈的影響著。


具有系統的機械、光學、電路及軟體元件的仔細設計,並且藉由告知終端用戶正確的佩戴方式,在大多數情況下,HRM性能都表現非常良好,可以預見,胸帶式心跳帶將會被漸漸地淘汰。


(本文作者Peter Trattler為奧地利微電子光學產品的資深產品經理,專長是生物感測器技術)


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