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光電傳感器 心率：光學心率傳感器

序
在這個什么都要和“智能”扯上關系的年代，除了我們司空見慣的手機外，也就是一些智能手表和手環之類的穿戴設備了。這些智能穿戴設備集成了很多的傳感器，由于脈搏或者心率是生命體征的重要參數之一，所以心率測量可算是高端入門產品必備的一個技能，下面帶大家簡單地了解一下最常見的光學心率傳感器。
光學心率傳感器概述
光學心率傳感器是是智能穿戴設備中最為普及的用于心率檢測的傳感器之一。它采用電光溶劑脈搏波描記法（PPG）來測量心率及其他生物計量指標。
測量原理：通過電容燈光射向皮膚，透過皮膚組織反射回的光被光敏傳感器接受并轉換成電信號，再經過電信號轉換成數字信號，再根據血液的吸光率算出心率。簡化測量過程就是：發射光——轉換成電信號——轉換成數字信號。
光學心率傳感器基本結構
光學心率傳感器使用四個主要技術元件來測量心率：
光發射器 - 通常至少由兩個光發射二極管（LED）構成，它們會將光波照進皮膚內部。 光電二極管和模擬前端（AFE） - 這些元件捕獲穿戴者折射的光，并將這些模擬信號轉換成數字信號用于計算可實際應用的心率數據。加速計 - 加速計可測量運動，與光信號結合運用，作為PPG算法的輸入。算法 - 算法能夠處理來自AFE和加速計的信號，然后將處理后的信號疊加到PPG波形上，由此可生成持續的、運動容錯心率數據和其他生物計量數據。
光學心率傳感器可測量哪些生物計量指標？
采用 PPG 的光學傳感器在獲得高品質 PPG 信號的情況下可獲取大量的基礎生物計量值，光學心率傳感器不止獲取心率數據那么簡單，還可以獲取以下生物計量指標：
呼吸率 - 休息時的呼吸率越低，通常這表明身體狀況越好。最大攝氧量（VO2max）– VO2測量人體可以攝入的最大氧氣量，是人們廣泛使用的有氧耐力指標。血氧水平（SpO2） - 是指血液中的氧氣濃度。R-R間期（心率變異率）- R-R間期是血脈沖的間隔時間；一般而言，心跳間隔時間越長越好。R-R間期分析，可用作壓力水平和不同心臟問題的指標。血壓 - 通過PPG傳感器信號，無需使用血壓計即可測量血壓。血液灌注 - 灌注是指人體推動血液流經循環系統的能力，特別是在瀕于死亡時流經全身毛細血管床的能力。因為PPG傳感器可跟蹤血液流動，所以可以測量血流相對灌注率及血液灌注水平的變化。心效率 - 這是心腦血管健康和身體狀況的另一個指標，一般來說，它測量的是心臟每搏的做功效率。
光學心率傳感器選擇綠光作為光源的原因
光學心率傳感器常使用綠光作為光源，從光譜特點看，從紫外線到紅外線，波長是越來越長的。
而選擇綠光作為測量光源是考慮到以下幾個特點：
皮膚的黑色素會吸收大量波長較短的波 皮膚上的水份也會吸收大量的UV和IR部分的光進入皮膚組織的綠光（500nm）-- 黃光（600nm）大部分會被紅細胞吸收紅光和接近IR的光相比其他波長的光更容易穿過皮膚組織血液要比其他組織吸收更多的光相比紅光，綠（綠-黃）光能被氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收雖然現在大部分智能穿戴設備采用綠光作為光源，但是字考慮到皮膚情況的不同（膚色、汗水），高端產品會根據情況自動使用綠光、紅光和紅外光等多種光源進行心率測量。
Apple Watch 心率監測原理
Apple Watch 的心率傳感器同樣是采用 PPG，特別設計的光學心率傳感器擁有四個點搜集數據，再佐以強大的軟件算法，來保證心率測量的可信度。
Apple Watch 利用 LED 綠光和紅外光，以及兩種光傳感器來檢測心率。
當其處于15攝氏度（59華氏度）以下的低溫時，通過測量綠光的吸收狀況來獲取更為精準的數據。而高溫環境下，比如用戶正在健身房里揮汗如雨時，皮膚表面水分增加，由于更多綠光已經被吸收掉，要檢測皮下反射的綠光就比較困難，這時 Apple Watch 就轉換到紅外光模式。
如何提高光學心率手表準確性
提升光學心率手表測量的準確性，應注意以下幾點：
確認手表緊貼于手腕不松動，以減少擺臂時手表的移位，但也不可太緊以免影響血液循環；佩戴手表于手腕外側，表背的感應面應貼近皮膚，避開橈骨頭和尺骨莖突；避免將手表配戴于黑色刺青上。
結語
對于心率傳感器，我們必須明白的事：
單純給出心率數值對用戶來說并沒有太大意義，如果能夠持續測量，并通過一段時間的心率數據給出睡眠質量/休息時間等健康建議則會對用戶有很大幫助。目前絕大部分移動終端用的都是光電心率傳感器，相比電極式心率傳感器誤差幾率較大。電極式心率傳感器目前還無法應用于較小的穿戴設備上，但目前已經有廠商在為此而努力了。相信未來會成為高端設備的標志配件。
 參考文獻
光學心率傳感器的用途及基本工作原理解析 - MEMS/傳感技術 - 電子發燒友網智能穿戴中都有哪些傳感器？了解這十個就夠了光學心率傳感器原理概述！ - TI論壇 - 中國電子技術論壇 - 廣受歡迎的專業電子論壇!心率傳感器：心跳的秘密_平板電腦評測-中關村在線光電式脈搏傳感器的原理 - 百度文庫有關您心率的方方面面，如何在 Apple Watch 上一覽無余。全球規模最大的心率量測研究 Apple Watch傳感器可計算心跳頻率蘋果Apple Watch可監測心律失常 準確度竟高達97%

光電傳感器 心率：光學心率傳感器工作原理

不少業內人士都認為未來可穿戴智能手表、手環需要向著更加專業化和細分化的應用領域發展，其中針對運動人群和健康檢測就是兩個很好的方向。那么我們不妨通過Apple Watch來了解一下光學心率監測的原理。
本文引用地址： watch心率監測
心率監測可以說是Apple Watch最具革命性的一大功能，它究竟是如何實現的？Apple Watch利用LED綠光和紅外光，以及兩種光傳感器來檢測心率。當其處于15攝氏度（59華氏度）以下的低溫時，通過測量綠光的吸收狀況來獲取更為精準的數據。而高溫環境下，比如用戶正在健身房里揮汗如雨時，皮膚表面水分增加，由于更多綠光已經被吸收掉，要檢測皮下反射的綠光就比較困難，這時Apple Watch就轉換到紅外光模式。
這種用于血流檢測的光學技術，專業上稱為“光電容積脈搏波描記法（photoplethysmography）”，簡稱PPG。
光電容積脈搏波描記法PPG
就AppleWatch來說，測量心率時底部的表盤會發出綠色的燈光，并且測量的時候手腕最好保持不動否側會影響測量結果。接下來將詳細介紹光學心率測量的原理。
如下兩張圖是光學心率傳感器。圖a是LED沒有發光的時候中間是一個光敏二極管，圖b是傳感器的LED發光的時候。
圖a                                              圖b
那么為什么通過LED燈發光就能測量心率呢？
當LED光射向皮膚，透過皮膚組織反射回的光被光敏傳感器接受并轉換成電信號再經過AD轉換成數字信號，簡化過程：光---> 電 ---> 數字信號
為什么大多數傳感器都是采用的綠光呢？
我們先看看光譜的特點，從紫外線到紅外線的波長是越來越長的。
之所以選擇綠光作為光源是考慮到一下·幾個特點：
1. 皮膚的黑色素會吸收大量波長較短的波
2. 皮膚上的水份也會吸收大量的UV和IR部分的光
3. 進入皮膚組織的綠光（500nm）-- 黃光（600nm）大部分會被紅細胞吸收
4. 紅光和接近IR的光相比其他波長的光更容易穿過皮膚組織
5. 血液要比其他組織吸收更多的光
6. 相比紅光，綠（綠-黃）光能被氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收
總體來說，綠光-- 紅光能作為測量光源。早起多數采用紅光為光源，隨著進一步的研究和對比，綠光作為光源得到的信號更好，信噪比也比其他光源好些，所以現在大部分穿戴設備采用綠光為光源。但是考慮到皮膚情況的不用（膚色、汗水），高端產品會根據情況自動使用換綠光、紅光和IR多種光源。
雖然知道了上面的幾個特點，但是還不足以弄清楚為什么通過光照就能測出心率、血氧等參數呢？
下圖就解釋了核心原理
當光照透過皮膚組織然后再反射到光敏傳感器時光照有一定的衰減的。像肌肉、骨骼、靜脈和其他連接組織等等對光的吸收是基本不變的（前提是測量部位沒有大幅度的運動），但是血液不同，由于動脈里有血液的流動，那么對光的吸收自然也有所變化。當我們把光轉換成電信號時，正是由于動脈對光的吸收有變化而其他組織對光的吸收基本不變，得到的信號就可以分為直流DC信號和交流AC信號。提取其中的AC信號，就能反應出血液流動的特點。我們把這種技術叫做光電容積脈搏波描記法PPG。
文章參考Richard_LiuJH的博客

光電傳感器 心率：光電式心率檢測傳感器方案（可穿戴方向）

展開全文
本方案介紹的是針對可穿戴設備而開發出的一款心率傳感器——LST1303，它是一款雙綠色LED型反射式光電傳感器,其是將一種綠色LED (發光波長570nm)和采用高科技納米涂層的環境光檢查傳感器組合封裝的新型產品，適合檢測脈搏用的高性能醫療保健設備與智能穿戴產品。ps：國內首家。
目前有些光電型檢測脈搏設備主要是使用紅外光來測量血液。LST1303與之不同的是使用了570nm發光波長的雙綠光，這樣能實現高感度測量。此產品同樣也是采用了反射式光電傳感器，把綠色LED和高科技納米涂層環境光檢查傳感器組合封裝入小型COB封裝。內部集成一級放大器，與采用普通光敏器件相比較，性能與靈敏度更優，這樣，可自由靈活的測量身體部位，廣泛用于可佩戴式智能電子產品以及新式測試方法的脈搏測量儀器等各種醫療保健設備。
方案特點
1．能擴大脈搏測量配套設備的應用范圍，LST1303采用的反射式光電傳感器使測量方式更加自由，應用范圍遍及可佩戴式電子產品以及新式測試方法的脈搏測量儀器；
2.   內部集成高科技納米涂層環境光檢測傳感器，過濾不需要的光源，減少由其他光源干擾的誤判動作，準確度高；
3．使用了最適合測量脈搏用的發光波長；
4.   LST1303采用了570nm發光波長的綠光，與紅外光相比反射率更高，測量感度更高，同時提高了S/N比特性；
部分性能指標
光電性能參數

應用電路與應用實例

可應用于智能手環、手表和其他可穿戴
方案議點

1、環境光的引入和測量精度問題
在該方案的討論中，有用戶提出過相關的問題。廠家給出的解答：環境光的引入誤差問題，方案采用專業技術，定點接收波長，誤差基本沒有或者很少。 有關測試精度問題，主要取決于算法。方案能夠定點接收570nm的波長，過濾掉非人體的反射光的干擾。

2、LED功耗問題
由于方案帶有兩個LED，對于可穿戴設備來說功耗略大。對于這個問題，網友給出了兩個解決方案：
方案一：

（1） 大電流脈沖式點亮LED，提高信號強度。
（2）后級用有禁用引腳的運放搭建成I/V轉換器，提高整個系統的響應速度。只在ADC采集的時候才使能運放，以減少電流消耗。
（3）I/V轉換后直接送12位ADC，不要額外的濾波。因為濾波器響應慢，不適合以脈沖方式工作的運放。
（4）每次采集LED反光信號之前，先采集一次環境光信號，兩者的差值就是刨掉了環境光影響的測量信號。
（5）人的心率最高不到300 bpm，按4倍率采樣就足夠反映心率的各種變化，因此每分鐘至少測量1200次，即每秒20次。如果提高到每秒25次，還可以使漏光看起來不閃爍。

方案二：

（1）光電傳感器的光色選擇性怎樣？如果選色型不好恐怕得外加濾光片；
（2）發光LED和傳感器的時間特性非常重要，這是解決功耗問題的物理基礎；
（3）采用低占空比的收發同步方法可以降低功耗1~2個數量級，并且允許提高脈沖電流到10~20mA；
（4）環境光不會Hz級波動，檢測LED脈沖打開和關閉時傳感器的輸出差值就消除了環境光的干擾；
（5）用軟件去除非對稱孤立脈動、僅認可脈搏預測窗口內的信號（此措施會縮小脈搏跟蹤范圍，慎用），可以再消除剩余的環境干擾。

3、健康方案的可穿戴離不開精密的傳感器，但目前來說國內涉足這塊的廠商很少，導致對于該方案還沒有宏觀的概念，對此比較專業的網友做出了一些解讀。

人體心率脈搏的檢測是醫療保健重要的一個環節，而在中醫脈搏的檢測（診脈）是十分的講究，也就是不同的脈搏波形代表著人體不同的癥候，診脈就是憑中醫的經驗判斷脈搏波形對應的人體疾病癥候，而LST1303是一款雙綠色LED型反射式光電傳感器，其【特點】：

（1）擴大脈搏測量配套設備的應用范圍，LST1303采用的反射式光電傳感器使測量方式更加自由，應用范圍遍及可佩戴式電子產品以及新式測試方法的脈搏測量儀器；
（2）內部集成高科技納米涂層環境光檢測傳感器，過濾不需要的光源，減少由其他光源干擾的誤判動作，準確度高；
（3）使用了最適合測量脈搏用的發光波長；
（4）LST1303采用了570nm發光波長的綠光，與紅外光相比反射率更高，測量感度更高，同時提高了S/N比特性；

正在探索人體的多維檢測，LST1303采用高科技納米涂層的環境光檢查傳感器組合封裝的新型產品，適合檢測脈搏用的高性能醫療保健設備與智能穿戴產品，人體的多維檢測中用其制作一款實用的中醫脈搏診療系統將是不錯的選擇。

該傳感器方案的樣片可以在原帖直接向廠家申請，目前來說這是國內首家。
原帖地址：

光電傳感器 心率：科普一分鐘：心率監測儀發綠光和紅光有何不同

原標題：科普一分鐘：心率監測儀發綠光和紅光有何不同

點評：一般情況下，發綠光的一般比發紅光的好。

心率監測是目前很火的功能，除了蘋果表外，摩托360手表、新款Fitbit等智能可穿戴設備也都玩了起來（甚至比蘋果表更早），而且包括三星Galaxy S5在內的一些手機也都具備這一功能了。

那么，心率監測準不準呢？為什么有些心率監測儀發綠光而有些則發紅光呢？下面我們就簡單了解一下。

心率監測的方法

常見的方法有兩種：心動電流測量法和光電透射測量法。

心動電流測量法，在醫院中測量心電圖時經常會看到，通過測量人體不同點的電勢變化，從而測量出心率變化，該方法測量精準，但必須同時監測人體的兩個部位，而我們平時用手機和手表的時候都是單手接觸產品，所以無法做到持續監測。

光電透射測量法，可穿戴設備上一般都采用這個，它是一種通過光反射測量的光電心率傳感器以及利用人體不同部位電勢測量的電極式心率傳感器。特點是，準確度欠佳，但優勢在于體積小。

光電測量法又分兩種情況

這兩種情況就是，一個發綠光（蘋果表），一個發紅光（Galaxy S5），無論是哪一種，這些光都是LED燈發出來的。

發紅光，是利用血管內血液血紅蛋白的吸光度的變化來測量脈搏，靠紅外發射光束回路和接收反射回路，但信號極為微弱而非常容易受到外界干擾而造成測量數據不準確，且一般需要安靜的狀態下測量。

發綠光，是由兩個綠色波長的發光LED 和一個光敏傳感器組成，其原理是基于手臂血管中的血液在脈動的時候會發生密度改變而引起透光率的變化。它可以持續測量心率（運動中亦可），計算平均心率，記錄最大心率等。

所以買可穿戴設備時可以長個心眼：發綠光的要比發紅光的好。

蘋果表的心率監測靠譜不？

答案是很靠譜，據舊金山大學一份報告顯示，準確率可達99％。

因為蘋果表的心率監測更復雜先進，除了使用綠色LED燈外，還會使用紅外線來監測心率。紅外線模式就是它每10分鐘測量一次心率時所使用的方式，只有在紅外線系統不足以提供準確的讀數時，Apple Watch才會切換到綠色LED。

當然，它也不是完美的，紋身會影響準確性，佩戴方式也會直接影響心率的采集成功率，總之要想準，就要盡可能地接近真實的皮膚。

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