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光电传感器 心率：光学心率传感器

序
在这个什么都要和“智能”扯上关系的年代，除了我们司空见惯的手机外，也就是一些智能手表和手环之类的穿戴设备了。这些智能穿戴设备集成了很多的传感器，由于脉搏或者心率是生命体征的重要参数之一，所以心率测量可算是高端入门产品必备的一个技能，下面带大家简单地了解一下最常见的光学心率传感器。
光学心率传感器概述
光学心率传感器是是智能穿戴设备中最为普及的用于心率检测的传感器之一。它采用电光溶剂脉搏波描记法（PPG）来测量心率及其他生物计量指标。
测量原理：通过电容灯光射向皮肤，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转换成电信号，再经过电信号转换成数字信号，再根据血液的吸光率算出心率。简化测量过程就是：发射光——转换成电信号——转换成数字信号。
光学心率传感器基本结构
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。
光学心率传感器可测量哪些生物计量指标？
采用 PPG 的光学传感器在获得高品质 PPG 信号的情况下可获取大量的基础生物计量值，光学心率传感器不止获取心率数据那么简单，还可以获取以下生物计量指标：
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。
光学心率传感器选择绿光作为光源的原因
光学心率传感器常使用绿光作为光源，从光谱特点看，从紫外线到红外线，波长是越来越长的。
而选择绿光作为测量光源是考虑到以下几个特点：
皮肤的黑色素会吸收大量波长较短的波 皮肤上的水份也会吸收大量的UV和IR部分的光进入皮肤组织的绿光（500nm）-- 黄光（600nm）大部分会被红细胞吸收红光和接近IR的光相比其他波长的光更容易穿过皮肤组织血液要比其他组织吸收更多的光相比红光，绿（绿-黄）光能被氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收虽然现在大部分智能穿戴设备采用绿光作为光源，但是字考虑到皮肤情况的不同（肤色、汗水），高端产品会根据情况自动使用绿光、红光和红外光等多种光源进行心率测量。
Apple Watch 心率监测原理
Apple Watch 的心率传感器同样是采用 PPG，特别设计的光学心率传感器拥有四个点搜集数据，再佐以强大的软件算法，来保证心率测量的可信度。
Apple Watch 利用 LED 绿光和红外光，以及两种光传感器来检测心率。
当其处于15摄氏度（59华氏度）以下的低温时，通过测量绿光的吸收状况来获取更为精准的数据。而高温环境下，比如用户正在健身房里挥汗如雨时，皮肤表面水分增加，由于更多绿光已经被吸收掉，要检测皮下反射的绿光就比较困难，这时 Apple Watch 就转换到红外光模式。
如何提高光学心率手表准确性
提升光学心率手表测量的准确性，应注意以下几点：
确认手表紧贴于手腕不松动，以减少摆臂时手表的移位，但也不可太紧以免影响血液循环；佩戴手表于手腕外侧，表背的感应面应贴近皮肤，避开桡骨头和尺骨茎突；避免将手表配戴于黑色刺青上。
结语
对于心率传感器，我们必须明白的事：
单纯给出心率数值对用户来说并没有太大意义，如果能够持续测量，并通过一段时间的心率数据给出睡眠质量/休息时间等健康建议则会对用户有很大帮助。目前绝大部分移动终端用的都是光电心率传感器，相比电极式心率传感器误差几率较大。电极式心率传感器目前还无法应用于较小的穿戴设备上，但目前已经有厂商在为此而努力了。相信未来会成为高端设备的标志配件。
 参考文献
光学心率传感器的用途及基本工作原理解析 - MEMS/传感技术 - 电子发烧友网智能穿戴中都有哪些传感器？了解这十个就够了光学心率传感器原理概述！ - TI论坛 - 中国电子技术论坛 - 广受欢迎的专业电子论坛!心率传感器：心跳的秘密_平板电脑评测-中关村在线光电式脉搏传感器的原理 - 百度文库有关您心率的方方面面，如何在 Apple Watch 上一览无余。全球规模最大的心率量测研究 Apple Watch传感器可计算心跳频率苹果Apple Watch可监测心律失常 准确度竟高达97%

光电传感器 心率：光学心率传感器工作原理

不少业内人士都认为未来可穿戴智能手表、手环需要向着更加专业化和细分化的应用领域发展，其中针对运动人群和健康检测就是两个很好的方向。那么我们不妨通过Apple Watch来了解一下光学心率监测的原理。
本文引用地址： watch心率监测
心率监测可以说是Apple Watch最具革命性的一大功能，它究竟是如何实现的？Apple Watch利用LED绿光和红外光，以及两种光传感器来检测心率。当其处于15摄氏度（59华氏度）以下的低温时，通过测量绿光的吸收状况来获取更为精准的数据。而高温环境下，比如用户正在健身房里挥汗如雨时，皮肤表面水分增加，由于更多绿光已经被吸收掉，要检测皮下反射的绿光就比较困难，这时Apple Watch就转换到红外光模式。
这种用于血流检测的光学技术，专业上称为“光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography）”，简称PPG。
光电容积脉搏波描记法PPG
就AppleWatch来说，测量心率时底部的表盘会发出绿色的灯光，并且测量的时候手腕最好保持不动否侧会影响测量结果。接下来将详细介绍光学心率测量的原理。
如下两张图是光学心率传感器。图a是LED没有发光的时候中间是一个光敏二极管，图b是传感器的LED发光的时候。
图a                                              图b
那么为什么通过LED灯发光就能测量心率呢？
当LED光射向皮肤，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转换成电信号再经过AD转换成数字信号，简化过程：光---> 电 ---> 数字信号
为什么大多数传感器都是采用的绿光呢？
我们先看看光谱的特点，从紫外线到红外线的波长是越来越长的。
之所以选择绿光作为光源是考虑到一下·几个特点：
1. 皮肤的黑色素会吸收大量波长较短的波
2. 皮肤上的水份也会吸收大量的UV和IR部分的光
3. 进入皮肤组织的绿光（500nm）-- 黄光（600nm）大部分会被红细胞吸收
4. 红光和接近IR的光相比其他波长的光更容易穿过皮肤组织
5. 血液要比其他组织吸收更多的光
6. 相比红光，绿（绿-黄）光能被氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收
总体来说，绿光-- 红光能作为测量光源。早起多数采用红光为光源，随着进一步的研究和对比，绿光作为光源得到的信号更好，信噪比也比其他光源好些，所以现在大部分穿戴设备采用绿光为光源。但是考虑到皮肤情况的不用（肤色、汗水），高端产品会根据情况自动使用换绿光、红光和IR多种光源。
虽然知道了上面的几个特点，但是还不足以弄清楚为什么通过光照就能测出心率、血氧等参数呢？
下图就解释了核心原理
当光照透过皮肤组织然后再反射到光敏传感器时光照有一定的衰减的。像肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织等等对光的吸收是基本不变的（前提是测量部位没有大幅度的运动），但是血液不同，由于动脉里有血液的流动，那么对光的吸收自然也有所变化。当我们把光转换成电信号时，正是由于动脉对光的吸收有变化而其他组织对光的吸收基本不变，得到的信号就可以分为直流DC信号和交流AC信号。提取其中的AC信号，就能反应出血液流动的特点。我们把这种技术叫做光电容积脉搏波描记法PPG。
文章参考Richard_LiuJH的博客

光电传感器 心率：光电式心率检测传感器方案（可穿戴方向）

展开全文
本方案介绍的是针对可穿戴设备而开发出的一款心率传感器——LST1303，它是一款双绿色LED型反射式光电传感器,其是将一种绿色LED (发光波长570nm)和采用高科技纳米涂层的环境光检查传感器组合封装的新型产品，适合检测脉搏用的高性能医疗保健设备与智能穿戴产品。ps：国内首家。
目前有些光电型检测脉搏设备主要是使用红外光来测量血液。LST1303与之不同的是使用了570nm发光波长的双绿光，这样能实现高感度测量。此产品同样也是采用了反射式光电传感器，把绿色LED和高科技纳米涂层环境光检查传感器组合封装入小型COB封装。内部集成一级放大器，与采用普通光敏器件相比较，性能与灵敏度更优，这样，可自由灵活的测量身体部位，广泛用于可佩戴式智能电子产品以及新式测试方法的脉搏测量仪器等各种医疗保健设备。
方案特点
1．能扩大脉搏测量配套设备的应用范围，LST1303采用的反射式光电传感器使测量方式更加自由，应用范围遍及可佩戴式电子产品以及新式测试方法的脉搏测量仪器；
2.   内部集成高科技纳米涂层环境光检测传感器，过滤不需要的光源，减少由其他光源干扰的误判动作，准确度高；
3．使用了最适合测量脉搏用的发光波长；
4.   LST1303采用了570nm发光波长的绿光，与红外光相比反射率更高，测量感度更高，同时提高了S/N比特性；
部分性能指标
光电性能参数

应用电路与应用实例

可应用于智能手环、手表和其他可穿戴
方案议点

1、环境光的引入和测量精度问题
在该方案的讨论中，有用户提出过相关的问题。厂家给出的解答：环境光的引入误差问题，方案采用专业技术，定点接收波长，误差基本没有或者很少。 有关测试精度问题，主要取决于算法。方案能够定点接收570nm的波长，过滤掉非人体的反射光的干扰。

2、LED功耗问题
由于方案带有两个LED，对于可穿戴设备来说功耗略大。对于这个问题，网友给出了两个解决方案：
方案一：

（1） 大电流脉冲式点亮LED，提高信号强度。
（2）后级用有禁用引脚的运放搭建成I/V转换器，提高整个系统的响应速度。只在ADC采集的时候才使能运放，以减少电流消耗。
（3）I/V转换后直接送12位ADC，不要额外的滤波。因为滤波器响应慢，不适合以脉冲方式工作的运放。
（4）每次采集LED反光信号之前，先采集一次环境光信号，两者的差值就是刨掉了环境光影响的测量信号。
（5）人的心率最高不到300 bpm，按4倍率采样就足够反映心率的各种变化，因此每分钟至少测量1200次，即每秒20次。如果提高到每秒25次，还可以使漏光看起来不闪烁。

方案二：

（1）光电传感器的光色选择性怎样？如果选色型不好恐怕得外加滤光片；
（2）发光LED和传感器的时间特性非常重要，这是解决功耗问题的物理基础；
（3）采用低占空比的收发同步方法可以降低功耗1~2个数量级，并且允许提高脉冲电流到10~20mA；
（4）环境光不会Hz级波动，检测LED脉冲打开和关闭时传感器的输出差值就消除了环境光的干扰；
（5）用软件去除非对称孤立脉动、仅认可脉搏预测窗口内的信号（此措施会缩小脉搏跟踪范围，慎用），可以再消除剩余的环境干扰。

3、健康方案的可穿戴离不开精密的传感器，但目前来说国内涉足这块的厂商很少，导致对于该方案还没有宏观的概念，对此比较专业的网友做出了一些解读。

人体心率脉搏的检测是医疗保健重要的一个环节，而在中医脉搏的检测（诊脉）是十分的讲究，也就是不同的脉搏波形代表着人体不同的症候，诊脉就是凭中医的经验判断脉搏波形对应的人体疾病症候，而LST1303是一款双绿色LED型反射式光电传感器，其【特点】：

（1）扩大脉搏测量配套设备的应用范围，LST1303采用的反射式光电传感器使测量方式更加自由，应用范围遍及可佩戴式电子产品以及新式测试方法的脉搏测量仪器；
（2）内部集成高科技纳米涂层环境光检测传感器，过滤不需要的光源，减少由其他光源干扰的误判动作，准确度高；
（3）使用了最适合测量脉搏用的发光波长；
（4）LST1303采用了570nm发光波长的绿光，与红外光相比反射率更高，测量感度更高，同时提高了S/N比特性；

正在探索人体的多维检测，LST1303采用高科技纳米涂层的环境光检查传感器组合封装的新型产品，适合检测脉搏用的高性能医疗保健设备与智能穿戴产品，人体的多维检测中用其制作一款实用的中医脉搏诊疗系统将是不错的选择。

该传感器方案的样片可以在原帖直接向厂家申请，目前来说这是国内首家。
原帖地址：

光电传感器 心率：科普一分钟：心率监测仪发绿光和红光有何不同

原标题：科普一分钟：心率监测仪发绿光和红光有何不同

点评：一般情况下，发绿光的一般比发红光的好。

心率监测是目前很火的功能，除了苹果表外，摩托360手表、新款Fitbit等智能可穿戴设备也都玩了起来（甚至比苹果表更早），而且包括三星Galaxy S5在内的一些手机也都具备这一功能了。

那么，心率监测准不准呢？为什么有些心率监测仪发绿光而有些则发红光呢？下面我们就简单了解一下。

心率监测的方法

常见的方法有两种：心动电流测量法和光电透射测量法。

心动电流测量法，在医院中测量心电图时经常会看到，通过测量人体不同点的电势变化，从而测量出心率变化，该方法测量精准，但必须同时监测人体的两个部位，而我们平时用手机和手表的时候都是单手接触产品，所以无法做到持续监测。

光电透射测量法，可穿戴设备上一般都采用这个，它是一种通过光反射测量的光电心率传感器以及利用人体不同部位电势测量的电极式心率传感器。特点是，准确度欠佳，但优势在于体积小。

光电测量法又分两种情况

这两种情况就是，一个发绿光（苹果表），一个发红光（Galaxy S5），无论是哪一种，这些光都是LED灯发出来的。

发红光，是利用血管内血液血红蛋白的吸光度的变化来测量脉搏，靠红外发射光束回路和接收反射回路，但信号极为微弱而非常容易受到外界干扰而造成测量数据不准确，且一般需要安静的状态下测量。

发绿光，是由两个绿色波长的发光LED 和一个光敏传感器组成，其原理是基于手臂血管中的血液在脉动的时候会发生密度改变而引起透光率的变化。它可以持续测量心率（运动中亦可），计算平均心率，记录最大心率等。

所以买可穿戴设备时可以长个心眼：发绿光的要比发红光的好。

苹果表的心率监测靠谱不？

答案是很靠谱，据旧金山大学一份报告显示，准确率可达99％。

因为苹果表的心率监测更复杂先进，除了使用绿色LED灯外，还会使用红外线来监测心率。红外线模式就是它每10分钟测量一次心率时所使用的方式，只有在红外线系统不足以提供准确的读数时，Apple Watch才会切换到绿色LED。

当然，它也不是完美的，纹身会影响准确性，佩戴方式也会直接影响心率的采集成功率，总之要想准，就要尽可能地接近真实的皮肤。

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