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告别出汗烦恼, 入耳式心率监测系统将是未来可穿戴心率监测的潮流吗

来源:荣格 发布时间:2020-01-13 341
医疗设备合约制造服务医疗电子组件其他材料研发与设计服务包装及消毒测试、计量、检验和校准设备及用品
现如今多数的运动追踪产品,包括各品牌手环、Apple Watch等,都使用腕部的心率传感器来收集用户的心率和“燃烧的卡路里”。但是越来越多的声音认为相比于腕部,我们更应该从头部来追踪这些数据,更准确地说是耳朵。  
为什么呢?这就要从现在常用的便携式心率测量技术——光电容积脉搏波描记法谈起。
 
便携式脉搏测量的基础——光电容积脉搏波描记法
 
光电容积脉搏波描记法,是利用光测量脉搏的一种技术:血液是红色的,反射红光,吸收绿光。当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时,光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器,在此过程中由于受到指端皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用,检测器检测到的光强度将减弱。像肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织等等对光的吸收是基本不变的(前提是测量部位没有大幅度的运动),而皮肤内的血液,容积在心脏作用下呈搏动性变化。当心脏收缩时外周血容量最多光吸收量也最大,检测到的光强度最小。而在心脏舒张时,正好相反,检测到的光强度最大,使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化。
 
腕带式的心率传感器依赖设备里面的LED来测量血管里面血液的流动。LED的灯光会反射每一次心跳的动脉运动,这种反射被转译成起伏波动,最后变成设备上你所看到的数字。然而手表和手腕的接触并不是一动不动的,当你举哑铃或是跑步时,LED和血管之间的接触面在不断地相对运动,导致测量出来的数据并不准确。相比之下,耳朵不会有这种情况。耳朵由软骨组织构成,不易产生相对运动并且环境更黑暗,其中的动脉更接近皮肤的表面,在耳朵里面放一枚传感器,信号的清晰度要比手腕上高百倍左右。
 
三大场景验证入耳式心率测量方案
 
测量使用来自最多三个LED的短脉冲信号。LED电流最高可达370 mA,最小脉冲宽度为1μs。LED的最佳波长根据测量位置和测量方法来选择。手腕上只能测量表面动脉,故而选择绿光,耳朵则不同,可以使用红外光,从而获得更大的穿透深度和更高的SNR。光电二极管(其探测面积与其响应度直接相关)用于测量反射光,因此它会同时测量信号和背景噪声。下游模拟前端提供更高的SNR,它用作信号滤波器,将检测到的电流转换为电压,进而转换为数字形式。除反射测量外,算法还包括用于通过加速度计滤除运动伪像的校正。
 
ADI公司的 ADPD144RI芯片用作模拟前端,它还集成了光电二极管和LED。测量传感器由三轴加速度计提供支持,该三轴加速度计不仅用于识别步态和运动,还用于去除伪像。本例中使用 ADXL362。整个过程由ADuCM3029 微控制器控制,该微控制器用作各种传感器的接口并包含算法。
 
图1显示了该测试系统,常规耳塞中同时容纳了光学传感器和加速度计。已采取措施将ADC采样率限制在100 Hz并最小化LED强度,以尽可能降低功耗。
 
 集成光学传感器和加速度计的测试系统,刻度尺用于比较
图1. 集成光学传感器和加速度计的测试系统,刻度尺用于比较。
 
为了对系统特性进行表征,针对不同的运动模式考虑了三种不同的场景:站立不动,步行,跑步或跳跃。评估仅使用光学信号,这样就能知道脉冲测量不准确性出现在哪些场景中,以及何时需要加速度计数据来提高脉冲测量的精度。
 
测试结果显示在没有运动的情况下,信号非常清晰,心率可通过峰值位置和已知的采样速率来确定。在没有运动的情况下,信号很强且没有阻碍噪声,因此算法能以高可信度确定心率。来自红外通道的信号强于来自红光通道的信号。在另外一个场景下,测试人员以低速(大约每分钟50步)沿一个方向均匀移动,PPG信号中混合了心率与步伐,各种声道的总和显示的信号非常模糊,来自加速度计的附加运动数据将非常有用,特别是测量仅在较低步行速度下进行时。对于测量均匀运动,如短跑和跳跃以一定的间隔交替进行,可以非常清楚地识别运动伪像,算法很难隔离出正确的心率,如下图所示,必须运动传感器提供支持。
 
图2. 很明显,没有加速度计支持的条件下很难确定心率。
 
从测试案例中可以得出结论,在大多数情况下,心率可以利用耳塞中集成的传感器非常精确地加以确定。在慢速平移运动的情况下,心率甚至可以在不使用加速度计数据的情况下加以确定。即使在突然和快速运动的极限情况下,与运动校正数据进行比较也能释读数据。
 
结论
 
尽管此前基于耳朵的测量设备受空间和功耗的限制,并未在消费电子领域得到充分利用。但随着高集成度、更低功耗芯片的推出,陆续有许多公司开发出相应的解决方案,可以将有效运作的生命体征测量器件集成到典型的入耳式耳机中,其响应度的改进开辟了全新的应用领域和可能性。功能测试系统已经证明,耳朵测量非常有前途。测量装置也可以通过更好的机械集成来改进,并加以扩展来实现额外的测量。
 
值得特别一提的是,随着TWS耳机在2019年市场爆发性增长,随之而来的是未来消费者对产品的要求也越来越高,普通的TWS耳机产品已经不足以满足消费者的需求,差异化、特殊定制化的产品将成为厂商在TWS耳机市场竞争的主要手段。ADI公司同时作为主动降噪技术(ANC)提供商和健康监测解决方案提供商,其ANC技术已经迭代到第三代,新一代的主动降噪耳机已经非常小,耳机+MEMS+主动降噪的小体积化方案未来是否会加速落地呢,我们不妨拭目以待。
 
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