日期：2022-04-29
如今，大多數帶有心率監測器的可穿戴設備都使用一種稱為 光電容積描記法 (PPG)的方法來測量心率。PPG 是一個技術術語，用于將光照射到皮膚上并測量被血流散射的光量。這過于簡單化了，但 PPG 傳感器基于這樣一個事實，即隨著血流動力學的變化，例如隨著脈搏率(心率)或血容量(心臟)的變化，進入身體的光將以可預測的方式散射。輸出)。
光學心率傳感器一、光發射器
通常至少有 2 個 LED 將光波發送到皮膚中，盡管一些 PPG 傳感器正在添加更多的發射器和不同的光波長。由于與不同人群相關的皮膚厚度、膚色和形態存在巨大差異，大多數最先進的 OHRM 使用多種光波長，這些光波長與不同級別的皮膚和組織發生不同的相互作用。光電探測器光電探測器捕獲從設備用戶折射的光，并將這些信號轉換為可計算成有意義的心率數據的 1 和 0。
光學心率傳感器二、加速度計
加速度計測量運動并與光電探測器信號結合使用，作為 PPG 算法的輸入。算法——算法將來自光電探測器和加速度計的信號處理成運動耐受的心率數據，但也可以計算額外的生物特征，例如 VO 2、燃燒的卡路里、RR 間期、心率變異性、血液代謝物濃度、血氧水平，甚至血壓。
光學心率傳感器三、測量
PPG 實際上已有近 150 年的歷史，但它在 21 世紀已經發生了革命性的變化，用于新的用例。實時光學血流監測在 1800 年代后期首次使用，人們在黑暗的房間里將手放在蠟燭上，以查看血管結構和血流。最近在 1980 年代初期，第一臺脈搏血氧儀推出用于醫院，使用兩個交替的 LED 測量脈搏率和血氧。這些與今天仍在醫療機構中使用的手指或耳夾設備非常相似。PPG 傳感器在過去 5-10 年的發展主要集中在消費和醫療可穿戴設備和服務上。這需要一種被稱為運動容錯 PPG 的激進開發，因為在運動和活動期間使用 PPG 傳感器會大大增加必須消除的運動噪聲量才能找到血流信號。
光學心率傳感器四、光學噪聲
處理 PPG 傳感器信號的最大技術障礙是將生物特征信號與噪聲分離，尤其是運動噪聲。不幸的是，當您將光照射到人的皮膚上時，只有一小部分光會返回傳感器，而在收集到的總光中，實際上只有約 1/100 可能表明心臟泵血。其余的信號只是被其他材料散射，例如皮膚、肌肉、肌腱等。
光學心率傳感器五、膚色
人類有各種各樣的膚色，不同的膚色對光線的吸收也不同。例如，較深的皮膚會吸收更多的光，這是一個問題，因為許多 OHRM 沒有使用正確的緩解措施來準確測量深色皮膚的心率。查看這篇文章了解更多詳細信息：PPG 傳感器對于皮膚較深的人來說是否不太準確?這也帶來了通過紋身皮膚測量心率的問題，當手腕紋身的人發現 Apple Watch 上的心率監測器表現不佳或根本沒有表現時，Apple 在所謂的“紋身門”中發現了這個問題。
光學心率傳感器六、交叉問題
由運動和活動產生的光學噪聲最具挑戰性的方面之一發生在所謂的周期性活動期間，這是一種涉及連續重復類似運動的活動。這在慢跑和跑步期間測量的步速中最常見，因為步速通常落入與心跳相同的一般范圍內(每分鐘 140-180 次/步)。許多 OHRM 面臨的問題是，解釋傳入光學傳感器數據的算法很容易將步頻(“節奏”)誤認為心率。這就是所謂的“交叉問題””，因為如果您在心率和步率相互交叉時查看圖表上的測量值，許多 OHRM 傾向于鎖定步率并將該數字顯示為心率，即使心率可能會發生劇烈變化交叉后。
光學心率傳感器七、傳感器位置
在身體上的位置提出了獨特的挑戰，這些挑戰因位置而異。事實證明，手腕是準確 PPG 監測心率最差的地方之一，因為該區域(肌肉、肌腱、骨骼等)產生的光學噪聲要高得多，而且血管的高度可變性結構和血液灌注在整個人群中。由于皮膚表面附近的血管密度更高，前臂要好得多。然而，到目前為止，耳朵是 OHRM 在身體上的最佳位置，因為它本質上只是軟骨和血管，即使在身體劇烈運動時也不會移動太多，并且因為耳朵之間有一個理想的小動脈庫。 -耳屏和耳甲，從而大大減少必須過濾的光學噪聲。
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