jianshenzhuizongqikeyiceliangxinlvheqitashengmingtizhengyibangzhuyonghushedingrichangduanlianhuodong。jianshenzhuizongqitongchangneizhiyundongchuanganqi，keyijianceyundongmoshiyibangzhuqufenbuxing
、跑步與遊泳，因此它也可以用作計步器。為在日常生活中提供舒適和便利，測量通常在手腕上進行
，因為傳感器可以放置在手表、珠(zhu)寶(bao)和(he)腕(wan)帶(dai)等(deng)配(pei)飾(shi)中(zhong)。但(dan)是(shi)，此(ci)位(wei)置(zhi)對(dui)測(ce)量(liang)質(zhi)量(liang)而(er)言(yan)並(bing)非(fei)最(zui)佳(jia)。心(xin)率(lv)檢(jian)測(ce)會(hui)受(shou)到(dao)運(yun)動(dong)偽(wei)像(xiang)的(de)限(xian)製(zhi)而(er)難(nan)以(yi)進(jin)行(xing)
，因(yin)為(wei)肌(ji)肉(rou)質(zhi)量(liang)相(xiang)對(dui)較(jiao)大(da)，會(hui)限(xian)製(zhi)與(yu)動(dong)脈(mai)的(de)接(jie)觸(chu)。

 

相xiang比bi之zhi下xia，耳er朵duo更geng適shi合he進jin行xing光guang學xue心xin率lv測ce量liang。耳er垂chui已yi被bei醫yi學xue專zhuan家jia用yong於yu測ce量liang血xue氧yang水shui平ping。但dan到dao目mu前qian為wei止zhi，這zhe尚shang未wei在zai消xiao費fei者zhe層ceng麵mian上shang得de到dao充chong分fen利li用yong，因yin為wei基ji於yu耳er朵duo的de測ce量liang設she備bei受shou空kong間jian限xian製zhi，並bing且qie功gong耗hao非fei常chang高gao，需xu要yao大da電dian池chi。但dan隨sui著zhe高gao集ji成cheng度du
、更低功耗芯片的推出，ADI公gong司si已yi開kai發fa出chu解jie決jue這zhe些xie問wen題ti的de解jie決jue方fang案an。現xian在zai可ke以yi將jiang有you效xiao運yun作zuo的de生sheng命ming體ti征zheng測ce量liang器qi件jian集ji成cheng到dao典dian型xing的de入ru耳er式shi耳er機ji中zhong。響xiang應ying度du的de改gai進jin開kai辟pi了le全quan新xin的de應ying用yong領ling域yu和he可ke能neng性xing。本ben文wen介jie紹shao並bing評ping估gu了le該gai係xi統tong。

 

基礎測量方法是光學性的。測量使用來自最多三個LED的短脈衝信號。LED電流最高可達370 mA，最小脈衝寬度為1μs。LED的de最zui佳jia波bo長chang根gen據ju測ce量liang位wei置zhi和he測ce量liang方fang法fa來lai選xuan擇ze。手shou腕wan上shang隻zhi能neng測ce量liang表biao麵mian動dong脈mai，故gu而er選xuan擇ze綠lv光guang，耳er朵duo則ze不bu同tong
，可ke以yi使shi用yong紅hong外wai光guang，從cong而er獲huo得de更geng大da的de穿chuan透tou深shen度du和he更geng高gao的deSNR。光電二極管（其探測麵積與其響應度直接相關）用於測量反射光。因此，它會同時測量信號和背景噪聲。下遊模擬前端提供更高的SNR。它(ta)用(yong)作(zuo)信(xin)號(hao)濾(lv)波(bo)器(qi)，將(jiang)檢(jian)測(ce)到(dao)的(de)電(dian)流(liu)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)壓(ya)，進(jin)而(er)轉(zhuan)換(huan)為(wei)數(shu)字(zi)形(xing)式(shi)。除(chu)反(fan)射(she)測(ce)量(liang)外(wai)，算(suan)法(fa)還(hai)包(bao)括(kuo)用(yong)於(yu)通(tong)過(guo)加(jia)速(su)度(du)計(ji)濾(lv)除(chu)運(yun)動(dong)偽(wei)像(xiang)的(de)校(xiao)正(zheng)。

 

組成測量係統的器件說明如下。ADI公司的ADPD144RI芯片用作模擬前端，它還集成了光電二極管和LED。測量由三軸加速度計提供支持，該三軸加速度計不僅用於識別步態和運動，還用於去除偽像。本例中使用ADXL362。整個過程由ADuCM3029微控製器控製，該微控製器用作各種傳感器的接口並包含算法。

 

圖1.集成光學傳感器和加速度計的測試係統，刻度尺用於比較。

 

圖1顯示了該測試係統，常規耳塞中同時容納了光學傳感器和加速度計。已采取措施將ADC采樣率限製在100 Hz並最小化LED強度
，以盡可能降低功耗。

 

為wei了le對dui係xi統tong特te性xing進jin行xing表biao征zheng，針zhen對dui不bu同tong的de運yun動dong模mo式shi考kao慮lv了le五wu種zhong不bu同tong的de場chang景jing。評ping估gu僅jin使shi用yong光guang學xue信xin號hao，這zhe樣yang就jiu能neng知zhi道dao脈mai衝chong測ce量liang不bu準zhun確que性xing出chu現xian在zai哪na些xie場chang景jing中zhong，以yi及ji何he時shi需xu要yao加jia速su度du計ji數shu據ju來lai提ti高gao脈mai衝chong測ce量liang的de精jing度du。場chang景jing涵han蓋gai以yi下xia運yun動dong順shun序xu：

 

● 站著不動

● 站著不動並咀嚼

● 在辦公桌前工作

● 步行

●  跑步和跳躍

 

測試場景1

 

站著不動

 

圖2weifuduyucaiyangsulvdeguanxitu，xianshileyuanshishujudepinpu。suizheshijiantuiyi，maiboketongguofengzhilaishibie。zaimeiyouyundongdeqingkuangxia，xinhaofeichangqingxi，xinlvketongguofengzhiweizhiheyizhidecaiyangsulvlaiqueding。

 

圖2.測量幅度過采樣率以提供有關心率的信息

 

光學傳感器用兩種LED顏色——紅外和紅光——記錄心率，每種顏色有四個通道。這樣就可以通過兩種不同顏色的通道來區分測量，並且可以選擇更穩健的版本。各種通道的信號如圖3A所(suo)示(shi)。利(li)用(yong)六(liu)個(ge)通(tong)道(dao)可(ke)以(yi)識(shi)別(bie)出(chu)非(fei)常(chang)明(ming)確(que)的(de)信(xin)號(hao)，同(tong)時(shi)兩(liang)個(ge)通(tong)道(dao)飽(bao)和(he)。為(wei)了(le)獲(huo)得(de)更(geng)強(qiang)和(he)更(geng)穩(wen)健(jian)的(de)信(xin)號(hao)，算(suan)法(fa)會(hui)添(tian)加(jia)相(xiang)應(ying)的(de)不(bu)飽(bao)和(he)通(tong)道(dao)並(bing)計(ji)算(suan)心(xin)率(lv)。圖(tu)3B顯示了紅光通道（頂部）和紅外通道（底部）的心率，同時借助色標顯示了測量的置信度。圖中還給出了心率的倍數，由此可以通過采樣速率和置信度指示來區分原始信號（虛線）。

 

總zong之zhi，在zai沒mei有you運yun動dong的de情qing況kuang下xia，信xin號hao很hen強qiang且qie沒mei有you阻zu礙ai噪zao聲sheng，因yin此ci算suan法fa能neng以yi高gao可ke信xin度du確que定ding心xin率lv。來lai自zi紅hong外wai通tong道dao的de信xin號hao強qiang於yu來lai自zi紅hong光guang通tong道dao的de信xin號hao。

 

測試場景2

 

站著不動並咀嚼

 

場景2引入了額外的咀嚼動作。記錄的頻譜如圖4所示。與測試場景1不bu同tong，這zhe裏li可ke以yi清qing楚chu地di看kan到dao運yun動dong偽wei像xiang，其qi在zai信xin號hao中zhong表biao現xian為wei跳tiao躍yue。它ta們men在zai通tong道dao總zong和he中zhong也ye變bian得de清qing晰xi，不bu再zai表biao現xian出chu如ru此ci明ming顯xian不bu同tong的de速su率lv。然ran而er
，算suan法fa還hai是shi能neng夠gou在zai沒mei有you運yun動dong傳chuan感gan器qi額e外wai幫bang助zhu的de情qing況kuang下xia以yi高gao置zhi信xin度du正zheng確que地di確que定ding心xin率lv。有you意yi思si的de是shi
，紅hong外wai信xin號hao強qiang度du再zai次ci大da於yu紅hong光guang通tong道dao的de信xin號hao強qiang度du。

 

圖3.紅色區域（頂部）顯示站著不動情況的四通道測量
，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定，色標指示置信度。

 

圖4.紅色區域（頂部）顯示站著不動並咀嚼情況的四通道測量，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定，色標指示置信度。心率可以在沒有加速度計的情況下予以確定。

 

圖5.紅色區域（頂部）顯示在辦公桌前工作情況的四通道測量，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定，色標指示置信度。心率可以在沒有加速度計的情況下予以確定。

 

圖6.紅色區域（頂部）顯示步行情況的四通道測量，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定
，色標指示置信度。對於紅外情況，心率可以在沒有加速度計的情況下予以確定。

 

圖7.紅色區域（頂部）顯示跑跳情況的四通道測量，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定，色標指示置信度。沒有加速度計很難確定心率。

 

圖8.無加速度計數據（左）和有加速度計數據（右）的加性頻譜比較。利用加速度計可以重建用戶的心率。

 

測試場景3

 

在辦公桌前工作

 

場景3中測試了另一種日常情況。測試人員坐在桌子前進行一些正常工作以及相關的動作。與場景2類似，可以檢測到運動偽像

，由此算法可以識別兩個通道中的心率。從圖5中可以看出
，紅外信號在這裏同樣占主導地位。

 

測試場景4

 

步行

 

先前的場景關注的是靜止測量情況

，但在本場景中
，測試人員以低速（大約每分鍾50步）沿一個方向均勻移動。如圖6所示，PPG信xin號hao中zhong混hun合he了le心xin率lv與yu步bu伐fa
，各ge種zhong聲sheng道dao的de總zong和he顯xian示shi的de信xin號hao非fei常chang模mo糊hu。雖sui然ran在zai紅hong光guang信xin號hao場chang中zhong無wu法fa計ji算suan明ming確que的de心xin率lv，但dan算suan法fa在zai紅hong外wai信xin號hao中zhong找zhao到dao一yi個ge擬ni合he的de心xin率lv。然ran而er
，由you於yu波bo動dong很hen大da和he矩ju陣zhen的de置zhi信xin度du很hen低di，來lai自zi加jia速su度du計ji的de附fu加jia運yun動dong數shu據ju將jiang非fei常chang有you用yong
，特te別bie是shi因yin為wei到dao目mu前qian為wei止zhi，測ce量liang僅jin在zai較jiao低di步bu行xing速su度du下xia進jin行xing。

 

測試場景5

 

跑步和跳躍

 

場景5不是測量均勻運動，而是短跑和跳躍以一定的間隔交替進行。現在可以非常清楚地識別運動偽像，算法很難隔離出正確的心率，如圖7所示。需要運動傳感器提供支持似乎是不可避免的。

 

為了更好地評估對運動傳感器的需求，場景5測試了使用和不使用加速度計兩種情況下的測量技術。圖8顯示了無校正加速度計數據（左）和有校正加速度計數據（右）的加性頻譜的比較。在識別心率時可以看到信號明顯改善，如果沒有加速度計的支持
，這是不可能的。

 

從cong測ce試shi案an例li中zhong可ke以yi得de出chu結jie論lun，在zai大da多duo數shu情qing況kuang下xia，心xin率lv可ke以yi利li用yong耳er塞sai中zhong集ji成cheng的de傳chuan感gan器qi非fei常chang精jing確que地di加jia以yi確que定ding。在zai局ju部bu或huo慢man速su平ping移yi運yun動dong的de情qing況kuang下xia，心xin率lv甚shen至zhi可ke以yi在zai不bu使shi用yong加jia速su度du計ji數shu據ju的de情qing況kuang下xia加jia以yi確que定ding。然ran而er
，在zai突tu然ran和he快kuai速su運yun動dong的de極ji限xian情qing況kuang下xia，與yu運yun動dong校xiao正zheng數shu據ju進jin行xing比bi較jiao也ye能neng釋shi讀du數shu據ju。在zai所suo有you情qing況kuang下xia，紅hong外wai信xin號hao均jun強qiang於yu紅hong光guang信xin號hao。

 

與手腕測量相比，耳朵中的信號更強，因此測量精度可以達到更高水平。此外

，使用紅光或紅外光可以測量血氧水平。

 

結論

 

總zong之zhi，功gong能neng測ce試shi係xi統tong也ye已yi證zheng明ming，耳er朵duo測ce量liang非fei常chang有you前qian途tu。測ce量liang裝zhuang置zhi也ye可ke以yi通tong過guo更geng好hao的de機ji械xie集ji成cheng來lai改gai進jin
，並bing加jia以yi擴kuo展zhan來lai實shi現xian額e外wai的de測ce量liang。這zhe樣yang，加jia速su度du計ji還hai可ke用yong於yu跌die倒dao檢jian測ce和he步bu態tai識shi別bie，從cong而er為wei客ke戶hu創chuang造zao更geng多duo價jia值zhi。

 

 

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