如何在腕带设备中使用光学心率传感器

很多消费类设备制造商都想从要求7乘24小时随时进行心率测量（HRM）的市场中分一杯羹。如今消费者可以从数十种健身带、智能手表和腕带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，对于大多数人和大部分应用，这些设备可以替代心率带。

虽然心率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，并且不能像健身带或者智能手表那样集成其他实用的功能。所以毫无疑问如果腕带的准确度与心率带差不多，消费者会更喜欢腕带设备。

噪声，有效信号非常微弱，运动假信号过强，不同人的手腕之间差异很大。

这些都不利于提取出干净而且准确的心率信号。本文介绍在推出新腕带产品时必须要考虑的重要的机械、光学、电路和软件设计注意事项，并检查测试结果，以验证腕带式心率传感器所能达到的准确度。

HRM的工作原理

光学HRM感测是基于光电容积脉搏波的原理。心脏每次跳动时，血液通过血管，其压力脉冲导致血管会稍微膨胀一些。动脉血管体积的变化导致其光学透过率发生改变。在光电容积图中，LED发出的光照射到身体组织上，光电二极管测量透过它们的光通量。心跳由测量值中的峰值表示。

之所以在腕带上很难实现光电容积图（PPG）测量，很大程度上是因为测得的信号非常微弱。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。而且，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，接收信号的调制深度仅为0.1％。

传递到光电二极管的光强的微小变化很容易被噪声淹没。最麻烦的噪声源是运动，例如，走路。小幅手指或者手的动作产生的光强变化实际上比手臂运动产生的变化更大一些。这是因为肌腱的移动恰好在传感器下方，握住手和松开手时手腕的直径是不同的，导致腕带对皮肤造成的压力的改变, 也就改变了传感器与皮肤表面之间的光学耦合特性。

用于隔离信号和降低噪声的技术

在腕带式PPG中要解决的基本问题是保持所需信号的完整性，同时降低各种噪声源的影响。

降低运动噪声幅度最重要的方法是机械式的：传感器在皮肤上的位置应保持不变，因为即使相对于皮肤很小的运动也会产生很大的运动信号。腕带的佩戴应让人感到舒适贴身。还需要特别注意传感器在手腕上的位置：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，传感器会收到大量的运动噪声。而且，这些区域的身体组织的特点是的血流量少，使得PPG信号特别弱。

机械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、灌注深度、手腕毛发密度和颜色以及皮肤颜色各不相同，这些都对光信号有不同的影响。甚至纹身也会干扰传感器的光线反射。一般的建议是，小设备可以用于小手腕和大手腕，而大设备不适合小手腕。除此之外，OEM制造商必须通过试验选择腕带材质、尺寸、剖面和形状，一方面要花费大量时间来确定PPG传感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。

腕带设计人员还会发现， 运动噪声决不是干扰PPG信号的唯一噪声源，例如，还要控制光串扰的影响。

当用户皮肤较黑时，传感器会自动增加绿色LED的亮度，因为深色皮肤对绿光的衰减会比浅色皮肤的更大。然而，在高亮度下，串扰可能会使传感器饱和。当从传感器保护盖板（玻璃或者塑料材质）的内表面和外表面反射的LED光到达光电二极管时（这些光线并没有透过用户皮肤），会发生串扰。

光学串扰不可能完全消除，但是通过合适的设计可使其保持在安全水平以下。艾迈斯半导体可为采用艾迈斯AS7000光学生物传感器芯片的用户提供光学仿真（光线跟踪）服务，以协助用户设计出可满足对光学性能要求的原型。

腕带设计人员大体上有两种选择来让光学串扰保持在安全水平以下：要么制造气隙非常小的PPG传感器；要么添加光学掩模。

艾迈斯半导体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。这是因为光学掩模降低了信号强度，传感器更容易受到运动噪声等其他噪声源的影响，并且还增大了LED的功耗。

串扰不是光学噪声的唯一来源：明亮的阳光也有可能透过皮肤到达传感器的光电二极管上。在AS7000生物传感器中，艾迈斯半导体使用集成滤光片来滤掉阳光中的大部分非绿色分量。而传感器上的LED是绿色的，因此该滤光片允许绿光通过——包括阳光中的绿色分量。

为减小阳光（绿色分量）带来的干扰，AS7000中LED发出的光是经过调制的,光电二极管收到信号后会解调。传感器中的数字电路可以去除由阳光引起的非调制光噪声。

光调制也增强了系统的电路性能：SSoC运算放大器的噪声性能只需要针对调制频率进行优化。这意味着可以忽略1/f噪声，因为这种噪声主要出现在低于调制频率的频率范围内。

因为PPG输出信号非常小,所以还必须仔细调整电路设计以便提取出目标频带中的信号（通常为0.5Hz-4Hz，对应30bpm-240bpm的心率）。同时，外围组件的噪声必须尽可能的小。

在AS7000中，软件算法把PPG信号转换为心率测量结果。除此之外,通过外部加速度计提供的运动信号滤除由运动产生的虚假心率信号：加速度计仅提供运动信号，而PPG同时包括了运动和心率信号。这样可以减去PPG信号中的运动感应部分，仅留下心率部分。

艾迈斯的算法要比这里的描述更复杂，因为它必须考虑各种应用场景。例如，非常普遍的是，运动信号频率恰好就是心率信号频率的谐波频率。似乎有些人是按照心跳节奏来走路！艾迈斯的算法运行在AS7000上，允许主处理器在读出间隔期间进入休眠状态。

测试腕带HRM传感器的方法

通过实施上述降噪方法，HRM腕带能够产生精确的测量结果。测试将验证是否是这样。腕带的早期样品应先进行静态测试。这些测试验证传感器在静态时的性能：在测试期间，手和手指应平放在桌子上不动。其结果应与传感器制造商提供的参考套件的结果进行比较。测试时待测腕带和传感器供应商提供的参考腕带应分别戴在左右手上,同时应佩戴一个心率带。两个腕带不应该戴在同一只手上，因为远离手腕关节的腕带会有明显的优势。

艾迈斯半导体提供一个基于Android™的应用程序：可以用于同时采集采用了AS7000传感器的腕带输出的信号和通过Bluetooth传送过来的来自心率带的HRM信号。

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，这包括了几种类型的运动。艾迈斯半导体采用了在跑步机上进行的“散步-慢跑-快跑”（WJR，Walk-Jog-Run）测试流程。

测试PPG信号变化会很大， 因此，使用的样本数应在10人以上。为了验证阳光下的性能，应对比室内和室外测试的结果：两者之间不应该有区别。

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，即腕带测量的心率在参考的心率带测量值的±5％以内的时间与总测试时间之比。

该系统采用了W J R协议进行测试。基于AS7000的系统提供的测量心率在96％的测试时间内均位于这一偏差范围内。

小结

如今消费者可以从数十种健身带、智能手表和腕带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(HRM)技术。经过仔细地设计并正确地戴在手腕上，对于大多数人和大部分应用来说，这些设备可以替代心率带。

虽然心率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，并且不能像健身带或者智能手表那样集成其他实用的功能。所以毫无疑问如果腕带的准确度与心率带差不多消费者会更喜欢腕带设备。

然而，在实际中，消费者对腕戴式HRM技术的体验迄今为止还不尽人意：光学HRM的基本操作看起来虽然很简单，但在腕戴式装置中应用该技术时，还要克服相当多的技术难题。

本文表明，使用光学PPG传感器的腕带的HRM性能与两种因素密切相关，一是处理各种运动源、光和电噪声的方法，二是将原始光测量信号转换为心率输出的复杂算法。

通过仔细地设计系统的机械、光学、电路和软件，并告知最终用户正确的佩戴方式，在大多数情况下HRM性能都表现非常良好，可以预见，心率带将会被渐渐地淘汰。