腕佩心率监测器的设计注意事项

Use optoelectronics to manage your health

腕佩健身带和智能手表正从基于加速度计的基本型“智能计步器”向包括心率监测等生物识别传感功能的发展。在快速发展的可穿戴市场上寻求差异化的制造商,想要通过更有效的训练最大化其表现和健身效果的接受过教育的消费者都是这一趋势的推动力量。

实时连续心率监测有助于促使消费者根据心率区反馈调整锻炼。在其产品中实施连续心率监测时,新一代可穿戴设备的设计师们面临着一些挑战:

  •  心率测量准确度

  •  锻炼过程中的跟踪准确度

  • 面对众多独特个体的验证性能

  •  降低可穿戴产品设计的尺寸和厚度

  •  延长电池寿命

    可穿戴系统设计师可以选择实施非侵入式光学或电气技术。电气技术通常使用胸带,将两个触点放在皮肤上测量心率。这种方法通常是准确的,但需要终端用户在胸部佩戴笨重的胸带,胸带具有电池和无线通信功能,但穿起来不舒服,也不方便。光学技术更好,因为它们使用与腕带集成在一起的光学发射器和传感器,不必穿戴不舒适的胸带。

    腕式光学心率监测的工作原理

    如图 1 所示,来自发光二极管的红外(IR)光照射在用户手腕的皮肤上。透过皮肤的光被吸收、散射并由组织、骨骼、经络反射。光学传感器用于检测这种弱反射。被组织和骨骼反射的光不随时间变化,仅产生一个直流(DC)电平。当心脏搏动时,被动脉血液反射的光发生变化,产生交流(AC)信号。先进的数字信号处理消除直流信号,并计算来自弱交流信号的心率。这种处理技术产生一种被称为光电容积脉搏波(PPG)的信号。

在光学设计中,影响光电容积脉搏波信号准确度的因素有很多。这些因素包括光学发射器的发射器的波长,这些波长范围内系统的灵敏度,发射器和传感器之间的距离,发光二极管产生的光量,系统中发射器的数量和噪声。由于独特手腕的皮肤色素沉着和其他生理特性的差异,对于一个用户而言理想的心率监测系统在另一个人身上可能无法正常工作。设计师必须仔细选择,并尽可能使用自适应技术,以适应广泛的消费人群。如果不这样就可能导致客户不满以及较高的可穿戴产品退货率。现在,我们来想想心率监视器系统设计的几个关键方面。

发射器的波长

典型的指套式和耳式心率监测系统使用850纳米至940纳米波段的红外(IR)发射器。射频发射器用于腕式解决方案并不理想,因为手腕部位并不像指尖或耳朵部位那样具有接近皮肤的血富毛细血管。人们发现,对于肤色浅的人而言,绿光(525纳米)波长在腕部的性能较为优良。遗憾的是,深色皮肤能吸收绿光波长。人们发现黄光(590纳米)波长对深色皮肤效果最佳。要在最广泛的用户当中实现最佳性能,绿色和黄色发光二极管都可以使用,只是成本和能耗略有增加。自适应技术用于选择最佳信号来计算每个独特个体的心率。

皮肤的“光耦”

手腕和可穿戴设备之间的光信号电偶要好,这一点很重要,因为气隙会降低准确度。柔性腕带可贴合人体,并且感觉舒适。如果腕带太紧,电狗得以改善,但血流就会被限制,从而导致准确度更差。如果腕带太松,它就会自由移动。单一发光二极管系统的一个共同问题是, 

腕带可能需要再往手臂方向调整或略微旋转,以实现最佳性能。在光学传感器的对立面使用两个间隔设置的发光二极管就可以将腕带的落点以及倾斜带来的问题最小化。运动时,腕带可发生倾斜,这时,腕带的一侧皮肤电偶良好,而另一侧则有气隙。建议在可穿戴设计中使用三个发光二极管,以确保在广泛的终端用户中实现最高的准确度。例如,高性能的Scosche Rhythm Plus健身带使用两个绿色发光二极管和一个黄色发光二极管,呈三角形分布。

发射器光能

发射器光能主要由发光二极管驱动电流、电压、脉冲导通时间、半角和发光强度决定。配上能够控制几个参数的光学传感器系统,软件就可以针对每个独特的个体进行优化配置。例如,绿色发光二极管具有较高的正向电压,可能会影响发光二极管的电压和功率输出。提高发光二极管电压并一定可行,因此可以使用较长的脉冲导通时间增加发射器的光能,同时保持在发光二极管的正常工作参数范围内。自动感应功能可以调节发光二极管驱动电流和/或发光二极管导通时间,以优化针对独特个体的反射信号。这种自动直流感应有助于降低系统模数转换器(ADC)的动态范围要求,使信号处于最佳范围,以检测弱的交流心率信号。

锻炼过程中的跟踪准确度

大多数市售腕式可穿戴设备的最大弱点是无法在用户锻炼过程中准确跟踪心率。充分补偿锻炼过程中的运动和生理杂讯非常具有挑战性。加速度计通常用于可穿戴设备,它与先进的信号处理相结合,可以有效降低运动杂讯。这些算法可以使用加速度计数据排斥被噪声干扰的心率样本或主动消除噪声。尽管有这些算法,心率信号也可能暂时消失。自适应算法采用质量分级识别传感器数据何时无效,使估计技术在用户锻炼时能够提供稳定的跟踪准确度。同样重要的是,要通过代表不同肤色、种族、年龄和体重的大量用户样本验证这些算法。

降低最终产品的尺寸和厚度

增加心率传感器要求可穿戴设计具有更多的空间。许多现有的心脏监测可穿戴设计采用大量结合模拟前端(AFE)和MCU的分立光电二极管。模拟前端包括LED驱动器、模数转换器、模拟滤波和控制。与模拟前端以及模拟滤波和LED驱动器集成在一起的小型高灵敏度光二极管噪声基底低得多,使用较少的模拟前端位,体积更小。例如,Silicon Labs的Si114x光学传感器在一个很小的2 毫米×2毫米透明QFN封装中集成了多个高灵敏度的光电二极管、一个17位模数转换器、低噪声模拟滤波、多达三个动态可配置LED驱动器和一个I2C接口。典型的3毫米x 3毫米封装AFE和2毫米×2毫米封装分立光电二极管的体积在3x以上。

延长电池寿命

心率监测器功耗最大的通常是LED采样能力和减少运动杂讯的信号处理。功耗的一个重要因素是所使用的采样率。锻炼时的每分钟心跳次数(BPM)高,准确监测心率就需要更快的采样率。利用动态算法根据每分钟心跳次数改变采样率,可以在最小化功耗的同时保持准确度。样本插值也可以降低功耗,而无需提高采样率。可以动态改变LED驱动电流的传感器可以自动感应直流电平,以降低功耗和提高性能。在系统设计中动态使用一个、两个或三个发光二极管也能保持较高的性能,同时将功耗降至最低。

结论

设计可穿戴产品的光学心率监测解决方案面临着许多技术上的挑战。Silicon Labs的Si114x传感器系列等高性能集成光学传感解决方案,结合经过临床研究验证过的心率算法,使开发人员能够设计出结实耐用的可穿戴系统,最大限度地延长电池寿命并降低腕式心率监测设备的外形尺寸。Silicon Labs公司已经在快速增长的消费者可穿戴设备市场中迈出了重要一步,努力将光学心率监测变成不可或缺的功能。


 

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