光学心率传感器的工作原理与应用

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本文是主题为“用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器”三篇系列文章的第一篇。本篇着重介绍这些传感器系统的工作原理和通过它们可以测量什么。
大部分可穿戴设备采用光电容积脉搏波描记法（PPG）来测量心率及其他生物计量指标。PPG是一种将光照进皮肤并测量因血液流动而产生的光散射的方法。该方法非常简单，光学心率传感器基于以下工作原理：当血流动力发生变化时，例如血脉搏率（心率）或血容积（心输出量）发生变化时，进入人体的光会发生可预见的散射。下图1介绍了光学心率传感器的主要元件和基本工作原理。
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图 1：光学心率传感器的基本结构与运行
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。
光学心率传感器可以测量什么？
) X: O) F5 ~" {光学心率传感器可生成测量心率的PPG波形并将该心率数据作为基础生物计量值，但是利用PPG波形可以测量的对象远不止于此。尽管很难取得和维护精确的PPG测量结果（我们将在下一篇详细论述它），但是如果您能够成功获得精确的PPG测量结果，它将发挥强大的作用。高品质PPG信号是当今市场需求的大量生物计量的基础。图2是经过简化的PPG信号，该信号代表了多个生物计量的测量结果。

4 V* S! }, B2 V6 w; F图 2：典型的PPG波形
下面我们进一步详细解读某些光学心率传感器可以测得的结果：
● 呼吸率 － 休息时的呼吸率越低，通常这表明身体状况越好。
. ^" l' g; {  m" x: U: s8 K4 k! i* n( u● 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。
* x  O0 ~% K7 L. I1 Z# W3 _1 P1 X● 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。
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