日期：2022-04-29
如今，大多數(shù)帶有心率監(jiān)測器的可穿戴設(shè)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(shù)術(shù)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(xué)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(yù)測的方式散射。輸出)。
光學(xué)心率傳感器一、光發(fā)射器
通常至少有 2 個 LED 將光波發(fā)送到皮膚中，盡管一些 PPG 傳感器正在添加更多的發(fā)射器和不同的光波長。由于與不同人群相關(guān)的皮膚厚度、膚色和形態(tài)存在巨大差異，大多數(shù)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(fā)生不同的相互作用。光電探測器光電探測器捕獲從設(shè)備用戶折射的光，并將這些信號轉(zhuǎn)換為可計算成有意義的心率數(shù)據(jù)的 1 和 0。
光學(xué)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(jié)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(shù)據(jù)，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(xué)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(jīng)發(fā)生了革命性的變化，用于新的用例。實時光學(xué)血流監(jiān)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(jié)構(gòu)和血流。最近在 1980 年代初期，第一臺脈搏血氧儀推出用于醫(yī)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(yī)療機構(gòu)中使用的手指或耳夾設(shè)備非常相似。PPG 傳感器在過去 5-10 年的發(fā)展主要集中在消費和醫(yī)療可穿戴設(shè)備和服務(wù)上。這需要一種被稱為運動容錯 PPG 的激進開發(fā)，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(xué)心率傳感器四、光學(xué)噪聲
處理 PPG 傳感器信號的最大技術(shù)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(xué)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(fā)現(xiàn) Apple Watch 上的心率監(jiān)測器表現(xiàn)不佳或根本沒有表現(xiàn)時，Apple 在所謂的“紋身門”中發(fā)現(xiàn)了這個問題。
光學(xué)心率傳感器六、交叉問題
由運動和活動產(chǎn)生的光學(xué)噪聲最具挑戰(zhàn)性的方面之一發(fā)生在所謂的周期性活動期間，這是一種涉及連續(xù)重復(fù)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(nèi)(每分鐘 140-180 次/步)。許多 OHRM 面臨的問題是，解釋傳入光學(xué)傳感器數(shù)據(jù)的算法很容易將步頻(“節(jié)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(shù)字顯示為心率，即使心率可能會發(fā)生劇烈變化交叉后。
光學(xué)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(zhàn)，這些挑戰(zhàn)因位置而異。事實證明，手腕是準確 PPG 監(jiān)測心率最差的地方之一，因為該區(qū)域(肌肉、肌腱、骨骼等)產(chǎn)生的光學(xué)噪聲要高得多，而且血管的高度可變性結(jié)構(gòu)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(zhì)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(xué)噪聲。
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