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智能穿戴設備檢測心率血氧方案

2020-09-17 17:58:30分類:技術專題1333

  現在智能穿戴的形態越來越多,附加的功能越來越豐富。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的人體采血,利用血氣分析儀進行電化學分析,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660nm的紅光和940nm的近紅外光進入光源,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。


 智能穿戴設備檢測心率血氧方案

  血氧飽和度的定義:

  人體紅細胞本身附著血紅蛋白,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,當動脈經過毛細血管回到靜脈時,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,血紅蛋白沒有氧分子時,圖中的藍線HB,紅線吸收強,紅外線吸收弱的血紅蛋白帶有氧分子時,圖中的紅線HBO2,紅線吸收弱,紅外線吸收強。

  通常的血氧測定器選擇兩個波長進行測定,從吸收曲線來看,我們的光源選擇接近吸收峰的位置,因此紅光選擇660nm,紅外線選擇940nm。從圖中可以看到兩條曲線在800nm的位置交匯,那兩者的吸收是一樣的,所以不能選擇這個頻帶。

  高端血氧測試,甚至高達8個波長,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??吹降氖翘佳跹t蛋白,更多的波長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生了周期性的變化,只要傳感器不斷發射綠光,接收端就會收到周期性的吸收峰,對信號進行一定的處理就能得到心率曲線。

  我們消費類的智能穿戴設備,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,所以一般采用反射式光電測試方案。如下圖所示,一方面是光源發射LED,另一方面是CMOS接收端。通過反射光的變化,實時確認檢查結果。為了確保數據的穩定性和連續性,通常的發射頻率為3000~4000Hz,LED的占有率為50%左右。

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

  為了克服這個問題,我們想知道是否可以使用多組傳感器,并將其放在每個方向,以降低問題的可能性。例如,蘋果和MIO開始使用一組發射和接收,然后使用兩個發射源和兩個接收器,如下圖所示

  兩組確實比一組有優勢,但這個問題無法解決。也有人認為我可以用多組發射,中間放置接收端(接收端集成了可見光接收和紅外光接收)。例如,下圖所示,周圍的發射端。從實際檢查效果來看,確實有所改善。但同步帶來新問題,耗電量大,發熱嚴重,發熱也會降低接收端的數據穩定性。(圖中方形為接收端,圓形為發射端)

  每個LED的工作電流都有10~30mA,實時監視的話,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,會影響持續能力。設計師很郁悶,為什么不能把發射端放在中間呢?周圍放著接收端,剛才沒想到。關鍵是接收端的待機電流流只有μA級別,消耗電力可以忽視,同時也解決了發熱嚴重的問題。因此,現在也成為主流的設計趨勢。(圖中方形為接收端,圓形為發射端)
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