智能穿戴設備檢測心率血氧方案

　　現在智能穿戴的形態(tài)越來(lái)越多，附加的功能越來(lái)越豐富。例如，心率和血氧幾乎成為智能穿戴的標準功能，第11篇文章以智能手環(huán)和手表為例，談智能穿戴如何檢測心率和血氧。

　　常規血氧測試有兩種方法:

　　第一，傳統的血氧飽和度測試方法是先進(jìn)的人體采血，利用血氣分析儀進(jìn)行電化學(xué)分析，測定血氧分壓PO2計算出血氧濃度，這種方法麻煩不能連續檢查。

　　第二，采用手指套式光電傳感器，將傳感器套在人的手指上，使用手指作為裝有血紅蛋白的透明容器，使用波長(cháng)660nm的紅光和940nm的近紅外光進(jìn)入光源，測定組織床的光傳感強度，計算血紅蛋白濃度和血氧飽和度。

　　血氧飽和度的定義:

　　人體紅細胞本身附著(zhù)血紅蛋白，也就是HB，很容易與氧結合生成氧合血紅蛋白，也就是HBO2，還有血紅蛋白的還原，當動(dòng)脈經(jīng)過(guò)毛細血管回到靜脈時(shí)，氧分子脫落，這就是紅細胞。紅細胞附帶血紅蛋白，其中含有四個(gè)氧分子，是飽和的血紅蛋白分子。血氧飽和度，典型值為健康人群，此值正常范圍為90%-100%。

　　如下圖所示，血紅蛋白沒(méi)有氧分子時(shí)，圖中的藍線(xiàn)HB，紅線(xiàn)吸收強，紅外線(xiàn)吸收弱的血紅蛋白帶有氧分子時(shí)，圖中的紅線(xiàn)HBO2，紅線(xiàn)吸收弱，紅外線(xiàn)吸收強。

　　通常的血氧測定器選擇兩個(gè)波長(cháng)進(jìn)行測定，從吸收曲線(xiàn)來(lái)看，我們的光源選擇接近吸收峰的位置，因此紅光選擇660nm，紅外線(xiàn)選擇940nm。從圖中可以看到兩條曲線(xiàn)在800nm的位置交匯，那兩者的吸收是一樣的，所以不能選擇這個(gè)頻帶。

　　高端血氧測試，甚至高達8個(gè)波長(cháng)，最主要的原因是人體血紅蛋白除了還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白之外，還有其他血紅蛋白，我們經(jīng)?？吹降氖翘佳跹t蛋白，更多的波長(cháng)有利于你的精度更好。
 

　　智能穿戴怎么測量心率?

　　我們知道人體的血液是紅色的，主要是因為對綠色的吸收很強。由于血管周期性的起搏，從血管到光電傳感器的距離發(fā)生了周期性的變化，只要傳感器不斷發(fā)射綠光，接收端就會(huì )收到周期性的吸收峰，對信號進(jìn)行一定的處理就能得到心率曲線(xiàn)。

　　我們消費類(lèi)的智能穿戴設備，如智能手表，體積非常有限，因為傳統的穿透式光電測試方法不現實(shí)，所以一般采用反射式光電測試方案。如下圖所示，一方面是光源發(fā)射LED，另一方面是CMOS接收端。通過(guò)反射光的變化，實(shí)時(shí)確認檢查結果。為了確保數據的穩定性和連續性，通常的發(fā)射頻率為3000~4000Hz，LED的占有率為50%左右。

　　了解血氧和心率的檢測原理后，我們發(fā)現實(shí)際產(chǎn)品落地時(shí)，最大的問(wèn)題是不能使手腕和手表無(wú)縫緊密接觸。例如，走路的時(shí)候，胳膊搖晃的話(huà)，傳感器和胳膊的相對位置可能會(huì )有差異，測試結果不穩定，結果和標定值的差異很大。

　　為了克服這個(gè)問(wèn)題，我們想知道是否可以使用多組傳感器，并將其放在每個(gè)方向，以降低問(wèn)題的可能性。例如，蘋(píng)果和MIO開(kāi)始使用一組發(fā)射和接收，然后使用兩個(gè)發(fā)射源和兩個(gè)接收器，如下圖所示

　　兩組確實(shí)比一組有優(yōu)勢，但這個(gè)問(wèn)題無(wú)法解決。也有人認為我可以用多組發(fā)射，中間放置接收端(接收端集成了可見(jiàn)光接收和紅外光接收)。例如，下圖所示，周?chē)陌l(fā)射端。從實(shí)際檢查效果來(lái)看，確實(shí)有所改善。但同步帶來(lái)新問(wèn)題，耗電量大，發(fā)熱嚴重，發(fā)熱也會(huì )降低接收端的數據穩定性。(圖中方形為接收端，圓形為發(fā)射端)

　　每個(gè)LED的工作電流都有10~30mA，實(shí)時(shí)監視的話(huà)，多燈一起工作的電力消耗也不低，智能手表的電池容量只有500mA左右，會(huì )影響持續能力。設計師很郁悶，為什么不能把發(fā)射端放在中間呢?周?chē)胖?zhù)接收端，剛才沒(méi)想到。關(guān)鍵是接收端的待機電流流只有μA級別，消耗電力可以忽視，同時(shí)也解決了發(fā)熱嚴重的問(wèn)題。因此，現在也成為主流的設計趨勢。(圖中方形為接收端，圓形為發(fā)射端)
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