电极式心率传感器:光学心率传感器

2021/12/18 10:43 · 传感器知识资讯 ·  · 电极式心率传感器:光学心率传感器已关闭评论
摘要:

电极式心率传感器:光学心率传感器序在这个什么都要和“智能”扯上关系的年代,除了我们司空见惯的手机外,也就是一些智能手表和手环之类的穿戴设备了。这些智能穿戴设备集成了很多的传感器,由于脉搏或者心率是生命体征的重要参数之一,所以心率测量可算是高端入门产品必备的一个技能,下面带大家简单地了解一下最常见的光学心率传感器。光学心率传感器概述光学心率传感器是是智能穿

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电极式心率传感器:光学心率传感器


在这个什么都要和“智能”扯上关系的年代,除了我们司空见惯的手机外,也就是一些智能手表和手环之类的穿戴设备了。这些智能穿戴设备集成了很多的传感器,由于脉搏或者心率是生命体征的重要参数之一,所以心率测量可算是高端入门产品必备的一个技能,下面带大家简单地了解一下最常见的光学心率传感器。
光学心率传感器概述
光学心率传感器是是智能穿戴设备中最为普及的用于心率检测的传感器之一。它采用电光溶剂脉搏波描记法(PPG)来测量心率及其他生物计量指标。
测量原理:通过电容灯光射向皮肤,透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转换成电信号,再经过电信号转换成数字信号,再根据血液的吸光率算出心率。简化测量过程就是:发射光——转换成电信号——转换成数字信号。
光学心率传感器基本结构
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。
光学心率传感器可测量哪些生物计量指标?
采用 PPG 的光学传感器在获得高品质 PPG 信号的情况下可获取大量的基础生物计量值,光学心率传感器不止获取心率数据那么简单,还可以获取以下生物计量指标:
呼吸率 - 休息时的呼吸率越低,通常这表明身体状况越好。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。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。
光学心率传感器选择绿光作为光源的原因
光学心率传感器常使用绿光作为光源,从光谱特点看,从紫外线到红外线,波长是越来越长的。
而选择绿光作为测量光源是考虑到以下几个特点:
皮肤的黑色素会吸收大量波长较短的波 皮肤上的水份也会吸收大量的UV和IR部分的光进入皮肤组织的绿光(500nm)-- 黄光(600nm)大部分会被红细胞吸收红光和接近IR的光相比其他波长的光更容易穿过皮肤组织血液要比其他组织吸收更多的光相比红光,绿(绿-黄)光能被氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收虽然现在大部分智能穿戴设备采用绿光作为光源,但是字考虑到皮肤情况的不同(肤色、汗水),高端产品会根据情况自动使用绿光、红光和红外光等多种光源进行心率测量。
Apple Watch 心率监测原理
Apple Watch 的心率传感器同样是采用 PPG,特别设计的光学心率传感器拥有四个点搜集数据,再佐以强大的软件算法,来保证心率测量的可信度。
Apple Watch 利用 LED 绿光和红外光,以及两种光传感器来检测心率。
当其处于15摄氏度(59华氏度)以下的低温时,通过测量绿光的吸收状况来获取更为精准的数据。而高温环境下,比如用户正在健身房里挥汗如雨时,皮肤表面水分增加,由于更多绿光已经被吸收掉,要检测皮下反射的绿光就比较困难,这时 Apple Watch 就转换到红外光模式。
如何提高光学心率手表准确性
提升光学心率手表测量的准确性,应注意以下几点:
确认手表紧贴于手腕不松动,以减少摆臂时手表的移位,但也不可太紧以免影响血液循环;佩戴手表于手腕外侧,表背的感应面应贴近皮肤,避开桡骨头和尺骨茎突;避免将手表配戴于黑色刺青上。
结语
对于心率传感器,我们必须明白的事:
单纯给出心率数值对用户来说并没有太大意义,如果能够持续测量,并通过一段时间的心率数据给出睡眠质量/休息时间等健康建议则会对用户有很大帮助。目前绝大部分移动终端用的都是光电心率传感器,相比电极式心率传感器误差几率较大。电极式心率传感器目前还无法应用于较小的穿戴设备上,但目前已经有厂商在为此而努力了。相信未来会成为高端设备的标志配件。
参考文献
光学心率传感器的用途及基本工作原理解析 - MEMS/传感技术 - 电子发烧友网智能穿戴中都有哪些传感器?了解这十个就够了光学心率传感器原理概述! - TI论坛 - 中国电子技术论坛 - 广受欢迎的专业电子论坛!心率传感器:心跳的秘密_平板电脑评测-中关村在线光电式脉搏传感器的原理 - 百度文库有关您心率的方方面面,如何在 Apple Watch 上一览无余。全球规模最大的心率量测研究 Apple Watch传感器可计算心跳频率苹果Apple Watch可监测心律失常 准确度竟高达97%
电极式心率传感器:光学心率传感器  第2张

电极式心率传感器:可穿戴设备两大心率传感器技术解析

描述
智能手环应该是现阶段除了VR眼镜,大家入手最多的智能产品了,因为价格低廉,普及率也远远大于智能手表和其他一些昂贵的智能硬件。而智能手环可以大体分为带心率监测功能的手环和普通手环,今天小编我就以智能手环的心率传感器精准度而言,给大家聊聊这玩意儿的技术含量!
从技术的角度大体上可以分为两种类型:
第一种:PPG 光电容积脉搏波描记法原理
简单来说,就是反射而已,利用血液中透光率的脉动变化,折算成电信号,通过软件算法转换,对应的就是心率。
市面上代表的产品:Fitbit charge
当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时,光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器,在此过程中由于受到指,端皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用,检测器检测到的光强度将减弱。其中皮肤、肌肉组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的,而皮肤内的血液,容积在心脏作用下呈搏动性变化。当心脏收缩时外周血容量最多光吸收量也最大,检测到的光强度最小。而在心脏舒张时,正好相反,检测到的光强度最大,使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化。
那肯定就有人想问为什么常见的都是绿色LED?
因为在血液这种红色液体面前,绿光的吸收率是最大的,对于数据判断是比较准确的。
当用户的心脏跳动时,会有更多的血液流过用户的手腕,绿光的吸收量也会越大。在心脏跳动间隙,血液流量减少,导致绿光的吸收也会减少。
举个例子,假设手环的发光数值为100,皮肤肌肉组织吸收恒定的10,血液总吸收为15,那反射后为100-10*2-15=65,然后动脉血过来,红细胞含氧增多,血液总吸收变成了2被,那反射后为50,
之后会一直处于65-50-65-50-65-50-65-50-65-50……,通过计算每秒多少次脉冲变化,就得出你的心率。
这种方法的的原理也是它所存在的缺点,如果手环和皮肤直接有很多汗液呢?那数值就会不准确。
如果你的数值是这样变化,65-50-65-50-65-50-66-51-62-50-65等,这也会让机器蒙逼了。
总的来说这种方法测量静息脉搏和正常有规则运动(跑步等)还是比较准的,但对于无规则的运动,如足球羽毛球等无规则运动,举例所说的假设数值会乱蹦,会稍微准确度下降。但也是相差几个数值来说,对于非专业人士,小编我感觉应该足够了吧。
第二种:心电信号测量,类似ECG(心电图)
这个说的简单点,其实有点类似你去医院做过的心电图。不同的是,医院需要在心口、脚上、手腕上都要加上电极,需要测量更多的数据,而腕式手表就不需要那么多数据,仅仅心率就够了。
简单来说,心脏周围的组织和体液都能导电,因此可将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。心脏好比电源,无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表。在体表很多点之间存在着电位差,也有很多点彼此之间无电位差是等电的。通过收集到的电极变化,经过算法处理,可以还原出很多数值,其中可以还原出心率数值。

每次心跳,人的体表都会有微小的电极变化,而捕捉到这些电极变化,再经过算法就可以还原出心率跳动的频率。据我所知,手环内,好像jawBong UP 3采用的是心电测量技术,其它大部分都是光电技术。截图为例
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电极式心率传感器:光学心率传感器  第3张

电极式心率传感器:微星推出多款 MEG 系列电竞主机:搭载 12 代酷睿、RTX 3090 显卡

IT之家9月13日消息 今天凌晨,苹果正式发布了全新的三款iPhone机型,分别是iPhone XS,iPhone XR以及iPhone XS Max。三款机型发布之后,苹果告诉消费者,除了它的市值突破1万亿之外,它的手机也要突破1万元的价格了。
▲为什么看到之后我的心会隐隐作痛?
对于全新的iPhone XS Max来说,除了增大的屏幕之外,相信上涨的价格是最扎心的,光是9599元的起售价已经接近1万元,顶配版本的售价更是达到了元。
当许多人仍然在纠结哪款千元机的时候,苹果已经迫不及待地做出了万元机。
对于苹果开启的全新的万元机时代,就有网友吐槽称,膨胀了,这么高的价格居然打开看(新闻)了。也有网友表示,一年的工资就够买三个苹果了。是iPhone的价格涨得太快,还是工资涨得太慢呢?
其实对于iPhone售价的问题,我记得在iPhone刚出来的时候,也有不少观点指出,花个四五千块钱买个手机不值得。实际上,现在四五千的手机已经很常见了。
所以,是iPhone价格涨得太快呢?还是工资涨得慢一个节拍?
另外,也有网友表示,看到iPhone XS Max的价格之后,终于明白了苹果为什么要给Apple Watch Series 4加上新的心率检测了。
▲左为AW4,右为AW3
是的,在苹果新推出的Apple Watch产品中,除了将光学心率传感器升级到第二代,还新增了电极式心率传感器。
终于,苹果把消费者不购买iPhone的理由消灭得只剩一个了,你懂的。
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电极式心率传感器:颇具人文关怀,Apple Watch 4带着心率监测来了

苹果发布Apple Watch Series 4
北京时间9月13日,苹果发布了一款颇具人文关怀的新手表——Apple Watch Series 4。
与老款的Series 3相比,新的苹果表在外观上最直接的升级就是屏幕。相比前代的38mm和42mm表盘,Series 4提供了40mm和44mm这两个更大的尺寸。比大尺寸屏幕更让人欣慰的是新苹果表的屏占比终于增加了,Series 4的显示面积比前代增加了35%和32%。同时,Series 4也是重新设计了表盘,可容纳8个功能。表盘变成了圆角设计,总的来说外观上比前代好看了不少。
显示面积比前代增加了35%和32%
性能方面,Apple Watch Series 4采用了64位双核S4处理器,一个新的GPU。苹果表示新的芯片性能比前代高两倍。Apple Watch Series 4中内置一个新的加速度计和陀螺仪,背面还内置了一个电极式心率传感器,用户可以用它来拍摄心电图。这是第一款直接面向消费者提供的非处方心电图产品,并已经通过了FDA认证。待机方面,新的Apple Watch Series 4使用时间为18小时,户外运动6小时。
介绍完了具体的参数,我们回到文章开头,为什么说Apple Watch Series 4是一款颇具人文关怀的产品,因为这次最具亮点的升级着重在健康管理方面。
心率的监测一直以来都是Apple Watch主打的功能,其实单纯的给出心率数值并没有多大意义,但是如果可以持续监测,并且通过这些数值给出用户一些健康建议才是有帮助的,而作为可穿戴设备的Apple Watch则完全可以做到这一点。
Apple Watch Series 4心电图功能
虽然老款的Apple Watch也有心率传感器,但是Series 4的升级则是革命性的。目前心率传感器有两种,一种是通过光反射测量的光电心率传感器(Apple Watch前代产品),另一种是利用人体电势测量的电极式心率传感器(Apple Watch Series 4)。
前者的优势在于体积小,劣势是测量误差比较大,目前基本上所有的移动终端都用该种方式测量;后者在医院中测量心电图的时候我们经常会看到,通过测量人体不同点的电势变化,从而测量出心率变化,该方法测量精准,所以说由Apple Watch Series 4生成的心电图报告是可以直接用于医疗的,这也是通过了美国FDA认证。
如果说此前苹果只是利用Apple Watch在健康领域试了试水,那么新的苹果表则代表了一次科技与医疗的结合,更具有认真严谨的态度。
可能很多人还不清楚心率监测的重要性,根据《中国心血管病报告2017》表明,目前心血管病死亡占城乡居民总死亡原因的首位,其中农村占到了45.01%,城市占42.61%,每5例死亡中就有2例是死于心血管病。并且心脏问题也并不是老年人的专利,很多年轻人因为长期熬夜加班,生活不规律,也面临着很大风险。
心率过高或过低,都可能是严重健康问题的征兆。但很多人不能识别这些症状,往往导致无法及时发现病因。Apple Watch Series 4 能够监测你的心率,并在出现异常情况时立刻给你提醒,以便你采取行动,咨询医生的意见。
同时,新的加速感应器和陀螺仪,让Apple Watch Series 4能检测你是否跌倒。如果使用者在摔倒后 60 秒内没有任何反应,Apple Watch 将自动拨打急救电话,并向你的紧急联系人发送信息。这个摔倒检测功能配上心率监测功能,不能说完全为你的健康保驾护航,但是作为一款智能穿戴设备,它已经做得很好了。
说完了健康监测,再来说说Apple Watch Series 4锻炼功能。官方给出的slogan是“出类拔萃的运动搭档”,意思是不管你进行什么运动,它都可以当你的体能教练。它可以记录你跑步、瑜伽、游泳等具体锻炼时候的一些数据,实际上这个功能记录和管理的成分有,但是秀的意义更大些。
有了Apple Watch以后,你运动完在朋友圈发的就不仅仅是一张健身房的照片了,还有Apple Watch记录下来的你的运动中的各项数据,专业感和逼格迅速提升。
Apple Watch Series 4的国行版定价目前已更新,GPS款3199元起,蜂窝版3999起。如果国行版不阉割心率监测功能,那么还是值得买的。(本文首发钛媒体,作者/李梦洁,编辑/项欧)
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