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智能穿戴设备检测心率血氧方案

2020-09-17 17:58:30分类:技术专题444

  现在智能穿戴的形态越来越多,附加的功能越来越丰富。例如,心率和血氧几乎成为智能穿戴的标准功能,第11篇文章以智能手环和手表为例,谈智能穿戴如何检测心率和血氧。

  常规血氧测试有两种方法:

  第一,传统的血氧饱和度测试方法是先进的人体采血,利用血气分析仪进行电化学分析,测定血氧分压PO2计算出血氧浓度,这种方法麻烦不能连续检查。

  第二,采用手指套式光电传感器,将传感器套在人的手指上,使用手指作为装有血红蛋白的透明容器,使用波长660nm的红光和940nm的近红外光进入光源,测定组织床的光传感强度,计算血红蛋白浓度和血氧饱和度。


 智能穿戴设备检测心率血氧方案

  血氧饱和度的定义:

  人体红细胞本身附着血红蛋白,也就是HB,很容易与氧结合生成氧合血红蛋白,也就是HBO2,还有血红蛋白的还原,当动脉经过毛细血管回到静脉时,氧分子脱落,这就是红细胞。红细胞附带血红蛋白,其中含有四个氧分子,是饱和的血红蛋白分子。血氧饱和度,典型值为健康人群,此值正常范围为90%-100%。

  如下图所示,血红蛋白没有氧分子时,图中的蓝线HB,红线吸取强,红外线吸取弱的血红蛋白带有氧分子时,图中的红线HBO2,红线吸取弱,红外线吸取强。

  通常的血氧测定器选择两个波长进行测定,从吸取曲线来看,大家的光源选择接近吸取峰的位置,因此红光选择660nm,红外线选择940nm。从图中可以看到两条曲线在800nm的位置交汇,那两者的吸取是一样的,所以不能选择这个频带。

  高端血氧测试,甚至高达8个波长,最主要的原因是人体血红蛋白除了还原血红蛋白和氧合血红蛋白之外,还有其他血红蛋白,大家经常看到的是碳氧血红蛋白,更多的波长有利于你的精度更好。
 

  智能穿戴怎么测量心率?

  大家知道人体的血液是红色的,主要是因为对绿色的吸取很强。由于血管周期性的起搏,从血管到光电传感器的距离发生了周期性的变化,只要传感器不断发射绿光,接收端就会收到周期性的吸取峰,对信号进行一定的处理就能得到心率曲线。

  大家消费类的智能穿戴设备,如智能手表,体积非常有限,因为传统的穿透式光电测试方法不现实,所以一般采用反射式光电测试方案。如下图所示,一方面是光源发射LED,另一方面是CMOS接收端。通过反射光的变化,实时确认检查结果。为了确保数据的稳定性和连续性,通常的发射频率为3000~4000Hz,LED的占有率为50%左右。

  了解血氧和心率的检测原理后,大家发现实际产品落地时,最大的问题是不能使手腕和手表无缝紧密接触。例如,走路的时候,胳膊摇晃的话,传感器和胳膊的相对位置可能会有差异,测试结果不稳定,结果和标定值的差异很大。

  为了克服这个问题,大家想知道是否可以使用多组传感器,并将其放在每个方向,以降低问题的可能性。例如,苹果和MIO开始使用一组发射和接收,然后使用两个发射源和两个接收器,如下图所示

  两组确实比一组有优势,但这个问题无法解决。也有人认为我可以用多组发射,中间放置接收端(接收端集成了可见光接收和红外光接收)。例如,下图所示,周围的发射端。从实际检查效果来看,确实有所改善。但同步带来新问题,耗电量大,发热严重,发热也会降低接收端的数据稳定性。(图中方形为接收端,圆形为发射端)

  每个LED的工作电流都有10~30mA,实时监视的话,多灯一起工作的电力消耗也不低,智能手表的电池容量只有500mA左右,会影响持续能力。设计师很郁闷,为什么不能把发射端放在中间呢?周围放着接收端,刚才没想到。关键是接收端的待机电流流只有μA级别,消耗电力可以忽视,同时也解决了发热严重的问题。因此,现在也成为主流的设计趋势。(图中方形为接收端,圆形为发射端)
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