傳感器技術(shù)的進(jìn)步改變了人們?cè)\斷生命體征和健康狀況的方式和地點(diǎn)。便攜式、無(wú)創(chuàng)測(cè)量技術(shù)允許在我們?nèi)粘Ｉ钪羞M(jìn)行快速簡(jiǎn)單的測(cè)量。但是，盡管這種診斷技術(shù)在健身行業(yè)中變得非常流行，但我們最近才克服了其準(zhǔn)確性的限制。

健身追蹤器可以測(cè)量心率和其他生命體征，幫助用戶設(shè)置鍛煉程序。它們通常具有內(nèi)置的運(yùn)動(dòng)傳感器，可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)模式，以幫助區(qū)分步行，跑步和游泳，這使它們可以用作計(jì)步器。為了日常生活中的舒適和方便，測(cè)量通常在手腕上進(jìn)行，因?yàn)閭鞲衅骺梢园惭b在手表、珠寶和腕帶等配件中。但是，對(duì)于測(cè)量質(zhì)量而言，此位置不是最佳位置。心率檢測(cè)受到運(yùn)動(dòng)偽影的限制，并且由于相對(duì)較高的肌肉質(zhì)量限制了進(jìn)入動(dòng)脈的途徑，因此很難進(jìn)行。

相比之下，耳朵更適合光學(xué)心率測(cè)量。耳垂已經(jīng)被醫(yī)學(xué)專家用于測(cè)量血氧水平。然而，到目前為止，這還沒(méi)有在消費(fèi)者層面上得到充分利用，因?yàn)榛诙涞臏y(cè)量設(shè)備空間有限，并且由于功耗非常高而需要大電池。但隨著高度集成、低功耗芯片的推出，ADI公司開(kāi)發(fā)出一種克服這些問(wèn)題的解決方案。現(xiàn)在可以將功能正常的生命體征測(cè)量設(shè)備集成到典型的入耳式耳機(jī)中。響應(yīng)能力的提高開(kāi)辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域和可能性。本文將介紹和評(píng)估此系統(tǒng)。

基本的測(cè)量方法是光學(xué)性質(zhì)的。來(lái)自多達(dá)三個(gè)LED的短脈沖信號(hào)用于測(cè)量。LED電流最高可達(dá)370 mA，最小脈沖寬度為1 μs。根據(jù)測(cè)量位置和測(cè)量方法選擇LED的最佳波長(zhǎng)。雖然只能在手腕上測(cè)量淺表動(dòng)脈，因此這里選擇綠光，但紅外光和更大的穿透深度以及更高的信噪比可以在耳朵上使用。光電二極管的檢測(cè)器面積與其響應(yīng)度直接相關(guān)，用于測(cè)量反射光。因此，它可以測(cè)量信號(hào)和背景噪聲。下游模擬前端提供更高的SNR。它用作信號(hào)濾波器，將檢測(cè)到的電流轉(zhuǎn)換為電壓，從而轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。除反射測(cè)量外，該算法還包括通過(guò)加速度計(jì)濾除運(yùn)動(dòng)偽影的校正。

測(cè)量系統(tǒng)的組成如下。ADI公司的ADPD144RI芯片用作模擬前端，另外集成了光電二極管和LED。測(cè)量由三軸加速度計(jì)支持，該加速度計(jì)不僅用于識(shí)別步幅模式和運(yùn)動(dòng)，還用于去除偽影。本例使用ADXL362模型。整個(gè)過(guò)程由ADuCM3029微控制器控制，該微控制器用作各種傳感器的接口并包含算法。

注意將ADC采樣速率限制在100 Hz，并最小化LED強(qiáng)度，以保持盡可能低的功耗。

對(duì)于系統(tǒng)表征，針對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)模式考慮了五種不同的場(chǎng)景。僅使用光信號(hào)進(jìn)行評(píng)估。這允許評(píng)估在哪些情況下出現(xiàn)脈沖測(cè)量不準(zhǔn)確，以及何時(shí)需要加速度計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)提高脈沖測(cè)量的準(zhǔn)確性。這些場(chǎng)景涵蓋以下移動(dòng)序列：

靜止不動(dòng)

站著不動(dòng)咀嚼

在辦公桌前工作

走

奔跑和跳躍

測(cè)試場(chǎng)景 1

站著不動(dòng)

圖2顯示了原始數(shù)據(jù)的頻譜，其幅度與采樣率的關(guān)系圖。脈沖跳動(dòng)可以通過(guò)峰值隨時(shí)間變化來(lái)識(shí)別。無(wú)需運(yùn)動(dòng)，信號(hào)非常清晰，心率可以通過(guò)峰值位置和已知的采樣率來(lái)確定。

圖2.測(cè)量幅度過(guò)采樣率可提供有關(guān)心率的信息。

光學(xué)傳感器以兩種 LED 顏色（紅外和紅色）記錄心率，每種顏色有四個(gè)通道。通過(guò)這種方式，可以在具有兩個(gè)不同顏色通道的測(cè)量之間進(jìn)行區(qū)分，并且可以選擇更強(qiáng)大的變體。各種通道的信號(hào)如圖3A所示。通過(guò)六個(gè)通道，可以識(shí)別明確定義的信號(hào)，同時(shí)兩個(gè)通道飽和。為了獲得更強(qiáng)、更強(qiáng)大的信號(hào)，該算法添加了相應(yīng)的非飽和通道并計(jì)算心率。圖3B顯示了紅色通道（頂部）和紅外通道（底部）的心率，并同時(shí)通過(guò)色標(biāo)指示測(cè)量的置信水平。還給出了心率的倍數(shù)，其中原始信號(hào)（虛線）可以通過(guò)采樣率和置信度指示來(lái)區(qū)分。

圖3.紅色區(qū)域（頂部）顯示用于靜止的四通道測(cè)量，而紅外區(qū)域（底部）顯示原始和求和數(shù)據(jù)。心率（黑線）可以通過(guò)算法從求和數(shù)據(jù)中確定，色標(biāo)表示置信水平。

綜上所述，在沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的情況下，信號(hào)較強(qiáng)且沒(méi)有阻塞噪聲，因此該算法可以高置信度地確定速率。來(lái)自紅外通道的信號(hào)比來(lái)自紅色通道的信號(hào)強(qiáng)。

測(cè)試場(chǎng)景 2

站著不動(dòng)和咀嚼

在場(chǎng)景 2 中，引入了額外的咀嚼動(dòng)作。記錄的光譜如圖4所示。與測(cè)試場(chǎng)景 1 不同，可以清楚地看到運(yùn)動(dòng)偽影，這些偽影以跳躍的形式反映在信號(hào)中。它們?cè)谕ǖ赖目偤椭幸沧兊们逦@些通道不再表現(xiàn)出如此明顯區(qū)分的比率。盡管如此，該算法能夠在沒(méi)有運(yùn)動(dòng)傳感器額外幫助的情況下以高置信度正確確定心率。有趣的是，紅外信號(hào)強(qiáng)度再次大于紅色通道的強(qiáng)度。

圖4.紅色區(qū)域（頂部）顯示用于靜止和咀嚼的四通道測(cè)量，紅外區(qū)域（底部）顯示原始和匯總數(shù)據(jù)。心率（黑線）可以通過(guò)算法從求和數(shù)據(jù)中確定，色標(biāo)表示置信水平。心率可以在沒(méi)有加速度計(jì)的情況下確定。

測(cè)試場(chǎng)景 3

在辦公桌前工作

在場(chǎng)景 3 中，測(cè)試了另一種日常情況。測(cè)試人員坐在辦公桌前，執(zhí)行正常任務(wù)和與之相關(guān)的動(dòng)作。與場(chǎng)景 2 類似，可以檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)偽影，從而算法可以識(shí)別兩個(gè)通道中的心率。如圖5所示，紅外信號(hào)在這里也占主導(dǎo)地位。

圖5.紅色區(qū)域（頂部）顯示用于在辦公桌上工作的四通道測(cè)量，紅外區(qū)域（底部）顯示原始數(shù)據(jù)和匯總數(shù)據(jù)。心率（黑線）可以通過(guò)算法從求和數(shù)據(jù)中確定，色標(biāo)表示置信水平。心率可以在沒(méi)有加速度計(jì)的情況下確定。

測(cè)試場(chǎng)景 4

走

雖然前面的場(chǎng)景解決了靜止的測(cè)量條件，但在這種情況下，測(cè)試人員以低速（每分鐘約50步）均勻地向一個(gè)方向移動(dòng)。如圖6所示，PPG信號(hào)中的心率與步行速度混合，各個(gè)通道的總和顯示出非常模糊的信號(hào)。雖然在紅色信號(hào)場(chǎng)中無(wú)法計(jì)算定義的心率，但該算法會(huì)在紅外信號(hào)場(chǎng)中找到擬合。然而，由于波動(dòng)較大且置信矩陣低，來(lái)自加速度計(jì)的額外運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)將非常有用，特別是因?yàn)榈侥壳盀橹梗瑴y(cè)量?jī)H在低步行速度下進(jìn)行。

圖6.紅色區(qū)域（頂部）顯示步行的四通道測(cè)量值，紅外區(qū)域（底部）顯示原始和匯總數(shù)據(jù)。心率（黑線）可以通過(guò)算法從求和的數(shù)據(jù)中確定，色標(biāo)表示置信度。在紅外情況下，無(wú)需加速度計(jì)即可確定心率。

測(cè)試場(chǎng)景 5

跑步和跳躍

場(chǎng)景 5 沒(méi)有測(cè)量均勻運(yùn)動(dòng)，而是引入了交替的沖刺和跳躍間隔。現(xiàn)在可以非常清楚地識(shí)別運(yùn)動(dòng)偽影，因此該算法很難隔離正確的心率，如圖7所示。對(duì)運(yùn)動(dòng)傳感器支持的需求似乎是不可避免的。

圖7.紅色區(qū)域（頂部）顯示跑步和跳躍的四通道測(cè)量，紅外區(qū)域（底部）顯示原始和匯總數(shù)據(jù)。心率（黑線）可以通過(guò)算法從求和數(shù)據(jù)中確定，色標(biāo)表示置信水平。如果沒(méi)有加速度計(jì)，幾乎無(wú)法確定心率。

為了更好地評(píng)估對(duì)運(yùn)動(dòng)傳感器的需求，場(chǎng)景 5 測(cè)試了帶和不帶加速度計(jì)的測(cè)量技術(shù)。圖8顯示了未校正加速度計(jì)數(shù)據(jù)（頂部）和校正加速度計(jì)數(shù)據(jù)（底部）的加性頻譜的比較。信號(hào)的改善在心率的識(shí)別中變得明顯，如果沒(méi)有加速度計(jì)的支持，這是不可能的。

圖8.沒(méi)有加速度計(jì)數(shù)據(jù)的加性頻譜（頂部）和有加速度計(jì)數(shù)據(jù)（底部）之間的比較。通過(guò)使用加速度計(jì)，可以重建用戶的心率。

從測(cè)試用例中可以得出結(jié)論，在大多數(shù)情況下，使用耳塞中的集成傳感器可以非常準(zhǔn)確地確定心率。在局部或慢速平移運(yùn)動(dòng)的情況下，甚至可以在不使用加速度計(jì)數(shù)據(jù)的情況下確定心率。然而，在突然和快速運(yùn)動(dòng)的極限情況下，與運(yùn)動(dòng)校正數(shù)據(jù)的比較也允許對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋。在所有情況下，紅外信號(hào)都比紅色信號(hào)強(qiáng)。

與手腕測(cè)量相比，耳朵中的信號(hào)更強(qiáng)，因此可以進(jìn)行更準(zhǔn)確的測(cè)量。此外，使用紅光或紅外光可以測(cè)量血氧水平。

結(jié)論

總之，正如功能測(cè)試系統(tǒng)所證明的那樣，耳朵中的測(cè)量非常有前途。測(cè)量設(shè)備也可以通過(guò)更好的機(jī)械集成進(jìn)行改進(jìn)，并擴(kuò)展到包括額外的測(cè)量。因此，加速度計(jì)也可用于跌倒檢測(cè)和步數(shù)識(shí)別，從而為客戶創(chuàng)造附加值。

審核編輯：郭婷