datasheet

新技术:用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器

2018-08-29来源: EEWORLD 关键字:生物计量  光学心率传感器

电子测量仪器多种多样,万用表、示波器、功率计、电能质量分析仪、功率分析仪等等,我们经常发现同一个信号用不同的仪器测试,结果都不一样,此时我们该如何来判断测试的准确性呢!

 

不同的测量仪器都有其测试应用的场合和测量范围,其中很关键的一个指标就是仪器的带宽。带宽不同的仪器,哪怕测试相同的信号,测试结果往往也都不同。

 

首先我们来看看仪器测量带宽是什么。仪器的测量带宽简单而言就是仪器能够测试的频率范围,我们将信号幅值衰减到-3dB的频率点称为带宽截止频率点,即在输入某一频率正弦波,测量到的幅度衰减为实际幅度的70.7%时,该频率点称为带宽,如下图所示。

 

 

不同测量仪器,其带宽都不相同。原因有很多,有些是产品应用和测试对象决定的,比如某些测试应用,用不到很高的带宽,或者信号频率比较固定,测试也有对应的标准,如我们常见的电能质量分析仪,其主要针对电网信号做测量,而电网的信号频率就是50Hz/60Hz,因此专用的电能质量分析仪的带宽往往也在这个范围。又比如示波器,示波器的带宽往往非常大,市场上常用的带宽一般有200MHz、350MHz、500MHz,高频应用还会用到GHz以上的带宽。因为示波器常用来捕获时间很快的信号,并且要求能完整的还原波形形状,所以带宽必须很高才能实现功能。

 

 

还有一些仪器是因为产品定位不同或者本身的技术瓶颈问题,带宽也各有差异。如功率分析仪、功率计、电参数表等。功率分析仪作为高端测量仪器,一般为高精度高带宽,带宽可以到2MHz甚至5MHz;功率计更多用于产品的检测和生产测试,所以带宽会相对低一些,一般在100KHz~500KHz;而电参数表多数用于低端应用产品,带宽一般不超过50KHz。

 

 

带宽的不同对测试结果而言到底有什么样的影响呢?下面我们看一个实际测试案例,在某LED测试现场,用两台带宽不同的功率计测试LED驱动的输入(市电工频50Hz)电参数,包括电压、电流、功率、功率因数等,测试结果如下图所示:

 

 

从图中可以看到,两台设备测试的电压、有功功率基本一致,但是功率因素确相差很大。而功率因数的计算跟无功功率有非常密切的关系,因此可以判断两台设备测试的无功功率肯定有相差。两台设备的标称的基本精度都一样,但带宽却相差很大。致远电子的PA310带宽为300KHz,而另一台设备的带宽只有5KHz,LED驱动模块的工作原理为开关输出,因此必然会有高频的信号引入,带宽低的设备测试不到高频信号,因此测试结果也就与带宽高的设备相差甚远。

 

为了验证测试结果确实是带宽引起的,我们对PA310进行了线路滤波器的设置,打开了一个5.5KHz的线路滤波器,而后对比两台测试的功率因素,结果两台设备的功率因素确实一致,这也就证明了带宽确实是影响测试结果的重要因素。

 

看到这里,有人会问,带宽是否越高越好,其实带宽也并不是越高越好,因为带宽越高,引入的高频信号也就越多,很多高频信号对测试结果会造成负面影响,这也不是我们所希望的。但是仪器的测试带宽一定要能满足被测设备的频率范围,否则测试不到真实信号,掩耳盗铃最终必定也是自欺欺人。


本文是主题为“用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器”三篇系列文章的第一篇。本篇着重介绍这些传感器系统的工作原理和通过它们可以测量什么。


大部分可穿戴设备采用光电容积脉搏波描记法(PPG)来测量心率及其他生物计量指标。PPG是一种将光照进皮肤并测量因血液流动而产生的光散射的方法。该方法非常简单,光学心率传感器基于以下工作原理:当血流动力发生变化时,例如血脉搏率(心率)或血容积(心输出量)发生变化时,进入人体的光会发生可预见的散射。下图1介绍了光学心率传感器的主要元件和基本工作原理。

 

 1:光学心率传感器的基本结构与运行


光学心率传感器使用四个主要技术元件来测量心率:


  光发射器 - 通常至少由两个光发射二极管(LED)构成,它们会将光波照进皮肤内部。

  光电二极管和模拟前端(AFE) - 这些元件捕获穿戴者折射的光,并将这些模拟信号转换成数字信号用于计算可实际应用的心率数据。

  加速计 - 加速计可测量运动,与光信号结合运用,作为PPG算法的输入。

  算法 - 算法能够处理来自AFE和加速计的信号,然后将处理后的信号叠加到PPG波形上,由此可生成持续的、运动容错心率数据和其他生物计量数据。


光学心率传感器可以测量什么?


光学心率传感器可生成测量心率的PPG波形并将该心率数据作为基础生物计量值,但是利用PPG波形可以测量的对象远不止于此。尽管很难取得和维护精确的PPG测量结果(我们将在下一篇详细论述它),但是如果您能够成功获得精确的PPG测量结果,它将发挥强大的作用。高品质PPG信号是当今市场需求的大量生物计量的基础。图2是经过简化的PPG信号,该信号代表了多个生物计量的测量结果。


 2:典型的PPG波形


下面我们进一步详细解读某些光学心率传感器可以测得的结果:


  呼吸率 - 休息时的呼吸率越低,通常这表明身体状况越好。

  最大摄氧量(VO2max)– VO2测量人体可以摄入的最大氧气量,是人们广泛使用的有氧耐力指标。

  血氧水平(SpO2) - 是指血液中的氧气浓度。

  R-R间期(心率变异率)- R-R间期是血脉冲的间隔时间;一般而言,心跳间隔时间越长越好。R-R间期分析,可用作压力水平和不同心脏问题的指标。

  血压 - 通过PPG传感器信号,无需使用血压计即可测量血压。

  血液灌注 - 灌注是指人体推动血液流经循环系统的能力,特别是在濒于死亡时流经全身毛细血管床的能力。因为PPG传感器可跟踪血液流动,所以可以测量血流相对灌注率及血液灌注水平的变化。

  心效率 - 这是心脑血管健康和身体状况的另一个指标,一般来说,它测量的是心脏每搏的做功效率。

 

光学心率传感器带来的挑战


设计可穿戴设备上的光学心率传感器的难度很高,因为设计方法会受到人体运动的很大影响。为了弥补这一点,您需要强大的光力学和信号提取算法。图3说明了您在设计光学心率传感器时可能面临的部分主要挑战。

 

 3:集成光学心率传感器的主要挑战


光力学


下面进一步介绍有关PPG传感器集成的光力学考虑事项:


  光力学耦合 - 在传感器与人体之间是否能够高效进行双向光导与耦合?使血流信号最大化和向传感器施加噪音的环境噪音(如日光)最小化,是其中的关键。

  是否为人体部位使用了正确的波长?不同部位需要不同的波长,因为各部位的生理构造不同,并且环境噪音对不同部位的影响不同。

  设计是否使用了多个发射器,它们的间距是否正确?发射器的间距很重要,正确布放才能确保您测量到足够量的正确类型的血流,且测量结果具有较少的伪影。

  在体育锻炼或身体运动过程中,诸如皮肤与传感器之间的位移量等机械力学作用是否最小?这对许多佩戴可穿戴设备进行活动的常见情况都是个问题,比如跑步、慢跑和健身房锻炼。

 

信号提取算法

 

下面进一步介绍有关信号提取考虑事项的详细信息:

 

  算法是否在多元化的人群中进行过验证?这一点很重要,只有进行过此类验证才能保证设备能够适应多种肤色、不同性别、不同体型和健康状况而正常运行。

  算法是否有抵抗多种类型运动噪音的强健性?算法必须能够在各种活动期间正常工作,包括步行、跑步(高速稳定的跑步和间歇训练)、疾跑、健身房训练及打字或开车等日常行为。

  算法是否能够持续改进,以便能够处理更多用例和新型生物计量?这种技术和可穿戴设备市场正在迅速发展,您必须不断创新,才可满足不断变化的客户需求。

 

希望大家能够通过本篇博客了解一些有关PPG传感器系统工作原理及可测量内容的知识。


关键字:生物计量  光学心率传感器

编辑:muyan 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/IoT/2018/ic-news08294321.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:极致体验,Synaptics 发布新一代VR显示驱动器
下一篇:生物识别可穿戴产品开发周期详解

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器系列文章3

光学心率传感器技术在可穿戴设备中的新兴医疗应用“用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器”系列文章由三个部分组成,这是第三篇。第一部分重点介绍了这些传感器系统的工作原理,以及如何使用它们进行测量。第二部分分享了完成50多个生物识别可穿戴产品开发周期的十大经验教训。在日益数字化的世界中,光学心率传感器在可穿戴设备中的应用越来越广泛。这些设备中数不清的应用可提供从个人活动、健身水平到健康状况的所有内容。精准的生物识别传感器数据可以提供准确的健身/健康评估,但设计师和工程师究竟能用这些评估做些什么呢?表1总结了目前在健身应用中使用的一些常见评估,这些评估也证明了健康医疗的意义。评估定义对健身的意义对健康的意义VO2 max有氧
发表于 2018-09-10

用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器系列文章2

从50多个生物识别可穿戴产品开发周期得到的十大经验教训 “用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器”三篇系列文章的第二篇。第一部分重点介绍了这些传感器系统的工作原理,以及如何使用它们进行测量。设想一下,您正在参加一个计划会议。团队刚刚提出了一些非常棒的想法,他们为新的可穿戴设备设计了一种光学心率传感器,您可以将其添加到您的产品线中。他们都向您求助:我们应该与谁合作开发传感器系统? 突然间您意识到你并不完全确定从哪里着手。我们参与了50多个生物识别可穿戴设备项目。 我们的技术应用到目前市场上20多种不同的生物识别可穿戴设备中。我们犯了一些错误,从这些经历中吸取了很多教训,并在此过程中取得了一些成功。以下是我们在整个过程中总结
发表于 2018-09-10
用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器系列文章2

用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器系列文章1

本文是主题为“用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器”三篇系列文章的第一篇。本篇着重介绍这些传感器系统的工作原理和通过它们可以测量什么。大部分可穿戴设备采用光电容积脉搏波描记法(PPG)来测量心率及其他生物计量指标。PPG是一种将光照进皮肤并测量因血液流动而产生的光散射的方法。该方法非常简单,光学心率传感器基于以下工作原理:当血流动力发生变化时,例如血脉搏率(心率)或血容积(心输出量)发生变化时,进入人体的光会发生可预见的散射。下图1介绍了光学心率传感器的主要元件和基本工作原理。  光学心率传感器使用四个主要技术元件来测量心率:· 光发射器 - 通常至少由两个光发射二极管(LED)构成,它们会将光波
发表于 2018-09-10
用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器系列文章1

用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器

作者:德州仪器Ryan Kraudel本文是主题为“用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器”三篇系列文章的第一篇。本篇着重介绍这些传感器系统的工作原理和通过它们可以测量什么。大部分可穿戴设备采用光电容积脉搏波描记法(PPG)来测量心率及其他生物计量指标。PPG是一种将光照进皮肤并测量因血液流动而产生的光散射的方法。该方法非常简单,光学心率传感器基于以下工作原理:当血流动力发生变化时,例如血脉搏率(心率)或血容积(心输出量)发生变化时,进入人体的光会发生可预见的散射。下图1介绍了光学心率传感器的主要元件和基本工作原理。图 1:光学心率传感器的基本结构与运行光学心率传感器使用四个主要技术元件来测量心率:光发射器 - 通常至少由两个
发表于 2018-08-24
用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器

光学心率传感器技术在可穿戴设备中的新兴医疗应用

作者:德州仪器Ryan Kraudel“用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器”系列文章由三个部分组成,这是第三篇。第一部分重点介绍了这些传感器系统的工作原理,以及如何使用它们进行测量。第二部分分享了完成50多个生物识别可穿戴产品开发周期的十大经验教训。在日益数字化的世界中,光学心率传感器在可穿戴设备中的应用越来越广泛。这些设备中数不清的应用可提供从个人活动、健身水平到健康状况的所有内容。精准的生物识别传感器数据可以提供准确的健身/健康评估,但设计师和工程师究竟能用这些评估做些什么呢?表1总结了目前在健身应用中使用的一些常见评估,这些评估也证明了健康医疗的意义。评估定义对健身的意义对健康的意义VO2 max有氧能力
发表于 2018-09-10

小广播

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2018 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved