很多消費(fèi)型裝置制造商都想從方便且無時(shí)無刻都能進(jìn)行心率測量（HRM）的市場中分一杯羹。現(xiàn)今消費(fèi)者可以從數(shù)十種健身手環(huán)、智慧手表和手環(huán)式健康監(jiān)控裝置中進(jìn)行選擇，其中很多都采用了光學(xué)心率測量技術(shù)。經(jīng)過仔細(xì)的設(shè)計(jì)并正確地戴在手腕上，對於大多數(shù)人和大部分的應(yīng)用，這些裝置可以取代胸帶式心跳帶。

雖然胸帶式心跳帶是測量心率成熟而且準(zhǔn)確的方法，但長期使用時(shí)，人會感到不太舒適，并且不能像健身手環(huán)或者智慧手表那樣整合其他實(shí)用的功能。所以毫無疑問地如果手環(huán)的準(zhǔn)確度與心跳帶差不多，消費(fèi)者會更喜歡手環(huán)式裝置。

然而，在現(xiàn)實(shí)中，消費(fèi)者對手環(huán)式HRM技術(shù)的體驗(yàn)至今為止還不盡人意：光學(xué)HRM的基本操作看起來雖然很簡單，但在手環(huán)式裝置中應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，還要克服相當(dāng)多的技術(shù)難題，例如：

· 噪音

· 可測得的訊號微弱

· 移動(dòng)性假象的振幅

· 不同人的手腕圍之間差異很大

這些都不利於提取出完整而且準(zhǔn)確的心率訊號。本文介紹在推出新手環(huán)式產(chǎn)品時(shí)必須要考慮重要的機(jī)械、光學(xué)、電路和軟體設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)，并檢查測試結(jié)果，以驗(yàn)證手環(huán)式心率感測器所能達(dá)到的準(zhǔn)確度，幫助設(shè)計(jì)師解決這些問題。

心率測量的運(yùn)作原理

光學(xué)心率測量感測是基於光體積變化描記圖的原理。心臟每次跳動(dòng)時(shí)，血液通過血管時(shí)的壓力脈沖會導(dǎo)致血管稍微膨脹一些。動(dòng)脈血管體積的變化導(dǎo)致其光透射率發(fā)生改變。在光體積變化描記圖中，LED發(fā)出的光照射到身體組織中，光電二極體測量透過它們的透光量。心跳由測量值中的高點(diǎn)表示。

在手環(huán)里實(shí)現(xiàn)光體積變化描記圖（PPG）的難度大幅提升，因?yàn)榭蓽y量的訊號非常的微弱。LED發(fā)出的光不僅透過血管，也會透過手腕的組織和其他部分。此外，壓力脈沖只是讓血管稍微擴(kuò)張，膨脹引起的光透射率的變化也非常小。通常，接收訊號的調(diào)變深度僅為0.1％。

傳遞到光電二極體的光亮度的微小變化很容易被噪音淹沒。最麻煩的噪音來源是移動(dòng)，例如走路。小幅的手指或手的動(dòng)作實(shí)際上所產(chǎn)生的光亮度的變化比手臂動(dòng)作產(chǎn)生的變化要更大一些。這是因?yàn)榧‰斓膭?dòng)作恰好在感測器下方，握住手和松開手時(shí)手腕的直徑是不同的，導(dǎo)致手環(huán)對皮膚造成的壓力改變，也就改變了感測器與皮膚表面之間的光學(xué)耦合特性。

適用於隔離訊號和降低噪音的技術(shù)

在手環(huán)式PPG應(yīng)用中要解決的基本問題是保持所需訊號的完整性，同時(shí)降低各種噪音來源的影響。

降低移動(dòng)式噪音振幅最重要的方法是機(jī)械性的：感測器在皮膚上的位置需要保持不變，因?yàn)榧词瓜鄬镀つw很小的動(dòng)作也會產(chǎn)生很大的移動(dòng)訊號。手環(huán)的佩戴應(yīng)該讓人感到舒適貼身，還需要特別注意感測器在手腕上的位置：距離手腕關(guān)節(jié)約為兩個(gè)手指寬度。如果在腕關(guān)節(jié)上，或者距離腕關(guān)節(jié)太近，感測器會產(chǎn)生大量的移動(dòng)噪音。此外，這個(gè)區(qū)域的身體組織的特點(diǎn)是血液灌流低，使得PPG訊號特別弱。

機(jī)械式設(shè)計(jì)必須要考慮到人體的巨大差異。人體的手腕直徑、腕部曲率、灌流深度、手腕毛發(fā)密度和?色以及皮膚?色各不相同，這些都會對光學(xué)訊號有不同的影響。甚至紋身也會干擾感測器的光線反射。一般的建議是，小型裝置可以用於小手腕和大手腕，而大型裝置不適合小手腕。除此之外，每個(gè)OEM制造商都必須試驗(yàn)他們所選擇的手環(huán)材質(zhì)、尺寸、外觀和形狀，一方面要花費(fèi)大量時(shí)間來確定PPG感測器性能是否有競爭力，另一方面還要考慮款式、時(shí)尚和美學(xué)要求。

手環(huán)設(shè)計(jì)人員還會發(fā)現(xiàn)，移動(dòng)噪聲絕對不是唯一干擾PPG訊號的噪音來源，例如，還要控制光學(xué)串音的影響。

當(dāng)使用者的皮膚較黑時(shí)，感測器會自動(dòng)提升綠色LED的亮度，因?yàn)樯钌つw對綠光的衰?會比淺色皮膚的更大。然而，在高亮度下，串音可能會使感測器飽和。當(dāng)從感測器的（玻璃或塑膠）外殼的內(nèi)表面及外表面被反射出來的LED光沒有穿透使用者皮膚且接觸到發(fā)光二極體時(shí)，串音會發(fā)生。

串音不可能完全消除，但是手還能被設(shè)計(jì)成將串音保持在安全水平以下。奧地利微電子可為采用ams AS7000光學(xué)生物感測器系統(tǒng)晶片的使用者提供光學(xué)模擬（光線追蹤）服務(wù)，以協(xié)助用戶設(shè)計(jì)出可滿足對光學(xué)性能要求的模型（見圖一）。

圖一 : HRM感測器的機(jī)械設(shè)計(jì)（左）及其模擬光線追蹤（右）的透視圖

為了簡化模型的結(jié)果，圖二只顯示出那些從玻璃外殼反射後實(shí)際接觸到感測器的光線。

圖二 : 模擬的光線追蹤顯示了在采用大氣隙和厚玻璃（左）以及小氣隙和薄玻璃（右）兩種感測器設(shè)計(jì)下的干擾結(jié)果。

這些模型說明了手環(huán)設(shè)計(jì)人員大致上有兩種選擇來讓光學(xué)串音保持在安全水平以下：制造氣隙非常小的PPG感測器；或是加上一個(gè)光罩。

奧地利微電子客戶的經(jīng)驗(yàn)是將氣隙大小保持在最低限度是更有效的選擇。這是因?yàn)楣庹纸档土擞嵦?度，使感測器更容易受到像是移動(dòng)噪音等其他噪音來源的影響，并且還增加了LED的功耗。

串音不是光學(xué)噪音的唯一來源：明亮的陽光也有可能透過皮膚接觸到感測器的光電二極體。在奧地利微電子的AS7000生物感測器中，使用整合式的濾光器來濾掉陽光中的大部分非綠色分量。然而感測器上的LED是綠色的，因此該濾光器允許綠光通過包括陽光中的綠色分量。

為減少（綠色部分的）陽光帶來的干擾，AS7000會調(diào)變LED所發(fā)出的光，并搭載能相對解調(diào)的光電二極體，然後感測器中的數(shù)位電路就可以去除由陽光引起的非調(diào)變光學(xué)噪音。

光調(diào)變也提升了系統(tǒng)的電路性能：SSoC運(yùn)算放大器的噪音表現(xiàn)只需要針對調(diào)變頻率進(jìn)行優(yōu)化。這意味著可以忽略1/f噪音，因?yàn)檫@種噪音主要出現(xiàn)在低於調(diào)變頻率的頻率范圍內(nèi)。

因?yàn)镻PG輸出訊號非常小，所以還必須仔細(xì)調(diào)整電路設(shè)計(jì)，以便提取出目標(biāo)頻帶中的訊號（通常為0.5Hz-4Hz，對應(yīng)30bpm-240bpm的心率）。同時(shí)，周邊元件的噪聲必須最小化。

在AS7000裝置中，軟體演算法把PPG訊號轉(zhuǎn)換為心率測量結(jié)果。除此之外，它能除掉由外部加速度計(jì)提供的移動(dòng)所誘發(fā)的訊號：加速度計(jì)只提供移動(dòng)訊號，而PPG同時(shí)包含了移動(dòng)和心率訊號。這樣可以扣除PPG訊號中的由移動(dòng)所誘發(fā)的訊號部分，只留下心率部分。

因?yàn)楸仨毧紤]所有的操作條件，奧地利微電子這項(xiàng)演算法的操作比文中所建議的更為復(fù)雜。例如，對於移動(dòng)訊號就剛好是心率訊號的諧波頻率可能比所猜想的還要常見。有些人似??是依照心跳節(jié)奏來走路！奧地利微電子在AS7000 的演算法允許主處理器在讀出間隔期間進(jìn)入休眠狀態(tài)。

測試手環(huán)HRM感測器的方法

藉由實(shí)施上述的降噪方法，HRM手環(huán)能?產(chǎn)生精確的測量結(jié)果，測試將驗(yàn)證是否正確，手環(huán)的早期樣品應(yīng)先進(jìn)行靜態(tài)測試。這些測試驗(yàn)證感測器在靜態(tài)時(shí)的性能：在測試期間，手和手指應(yīng)平放在桌子上不動(dòng)。其結(jié)果應(yīng)與感測器制造商提供的叁考套件的結(jié)果進(jìn)行比較。在測試時(shí)，待測手環(huán)和感測器供應(yīng)商提供的叁考手環(huán)應(yīng)分別戴在左右手上，同時(shí)應(yīng)佩戴一個(gè)胸帶式心跳帶。兩個(gè)裝置不應(yīng)該戴在同一只手上，因?yàn)檫h(yuǎn)離手腕關(guān)節(jié)的裝置會有明顯的優(yōu)勢。

奧地利微電子為裝置提供一個(gè)使用Android操作環(huán)境的應(yīng)用程式：可以用於同步采用了AS7000感測器的測試結(jié)果與由藍(lán)牙胸帶式心跳帶的HRM訊號（叁見圖三）。

圖三 : 適用於平板電腦和智慧型手機(jī)的ams AS7000測試應(yīng)用程式

如果通過了靜止測試，則需要在模擬真實(shí)條件下驗(yàn)證系統(tǒng)性能，這包括了多種型態(tài)的移動(dòng)。例如，奧地利微電子實(shí)施了在跑步機(jī)上進(jìn)行的「步行-慢跑-快跑（WJR，Walk-Jog-Run）」測試流程：

-1分鐘保持不動(dòng)，

以每小時(shí)5公里的速度走2分鐘，

-1分鐘保持不動(dòng)

以每小時(shí)8公里的速度慢跑3分鐘，

-2分鐘保持不動(dòng)

以每小時(shí)8-10公里的速度跑2分鐘

以每小時(shí)10-12公里的速度跑1分鐘

以每小時(shí)5公里的速度走3分鐘

-2分鐘保持不動(dòng)

由於PPG訊號會因不同的人體測試而有很大的變化，因此，應(yīng)該采用10個(gè)以上的樣本。為了驗(yàn)證在陽光下的性能，應(yīng)該比較在室內(nèi)外的測試結(jié)果：兩個(gè)測試結(jié)果不應(yīng)該有任何差別。

一旦采集了所有測試數(shù)據(jù)，就需要設(shè)置性能基準(zhǔn)。例如，OEM制造商可以定義一個(gè)以時(shí)間百分比表示的分值，即手環(huán)測量的心率在叁考的胸帶式心跳帶測量值的±5％以內(nèi)的時(shí)間與總測試時(shí)間之比較。

以AS7000 SSoC為基礎(chǔ)的奧地利微電子叁考設(shè)計(jì)的性能違反這項(xiàng)基準(zhǔn)的評估，如圖4所示。虛線顯示以叁考心率為中心的±5％偏差范圍。該系統(tǒng)采用了WJR協(xié)議進(jìn)行測試。以AS7000為基礎(chǔ)的系統(tǒng)所提供的測量心率在96％的測試時(shí)間內(nèi)均位於這一偏差范圍之內(nèi)。

圖四 : 以AS7000為基礎(chǔ)的HRM手環(huán)的WJR測試結(jié)果；x軸是以秒為單位表示的時(shí)間，y軸是以BPM表示的心率

結(jié)論

本文顯示出使用光學(xué)PPG感測器手環(huán)的HRM性能被處理移動(dòng)、光學(xué)和電力噪音的各種來源的方法，以及轉(zhuǎn)換自然光訊號為每分鐘心跳次數(shù)訊號的演算法精密程度強(qiáng)烈的影響著。

具有系統(tǒng)的機(jī)械、光學(xué)、電路及軟體元件的仔細(xì)設(shè)計(jì)，并且藉由告知終端用戶正確的佩戴方式，在大多數(shù)情?下HRM性能都表現(xiàn)非常良好，可以預(yù)見，胸帶式心跳帶將會被漸漸地淘汰。

（本文作者Peter Trattler為奧地利微電子光學(xué)產(chǎn)品的資深產(chǎn)品經(jīng)理，專長是生物感測器技術(shù)）