用于可穿戴健身设备的LED传感器
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越来越多的人通过可穿戴小部件和合适的应用软件来跟踪他们的体育健身运动。光学传感器适合用于测量脉率和血氧饱和度。这种技术在医疗领域已经非常成熟，如今又可以移植到消费类应用，这得归功于现代的LED技术。 所有这一切可以从记录人们走路步数的手环算起。现在，诸如健身手环和智能手表等多种运动跟踪器还可以测量心率和其它生物指标或监视睡眠质量。许多人非常看好能够跟踪自己健身水平的新机会，这引发了越来越流行的“量化自我”运动。三星、苹果和谷歌等业内大型公司正携合适的应用、智能手表和智能手机进入这一不断增长的市场。 虽然计步器使用的是加速度传感器，但医疗领域中常用于脉搏和血氧测量的光学方法正在进入消费市场。在医院环境中，传感器大多数安装在耳朵或手指夹中。2013年，Mio Alpha公司的智能手表成为第一款使用光学传感器在手腕上测量脉率的手环产品——与运动员穿戴的胸带相比有了显著改进，没有人愿意整天把胸带戴在身上。智能手机也可以用来在手指上测量脉率。第一批健身手环如今正在进入市场，只需简单地将你的手指放在屏幕上，就可以测量血液中的氧饱和度。这个功能非常实用，比如对于在高海拔地区工作的人员，如登山者、高空滑翔人员和滑翔机引导员，以及得了心脏疾病或肺病的人等。 光学测量方法 传感器测量脉率和血氧饱和度的原理被称为光学体积描记法(PPG)，换句话说，光学测量的是血管中血流量变化。这种方法利用这个原理：动脉中输送的血流量随心脏泵送周期呈现有规律的变化。心脏有节奏地按一定周期泵血(心脏收缩)和抽血(心脏舒张)。这意味着在心脏收缩阶段会有更多的血流经动脉，在心脏舒张阶段血流则较少。通过测量身体某个特定部位的血流量变化，就可以从被测信号的周期性得到脉率。 血流量的测量依据的是血液中的血红蛋白吸收光线的能力(图1)。传感器由彼此紧邻放置的光源和检测器组成，测量时需直接放在皮肤上。发出的光渗透进皮肤、组织和血管，并被吸收、发射和反射。检测器记录的反射光强度将根据流经动脉的血流量变化而变化(图2)。用于这种测量的合适波长取决于在人体的哪部分进行测量。绿光可以在手腕处提供最佳结果，而红光和红外光一般用于手指头处的测量。 图1：反射光脉搏测量原理。传感器发出的光透过皮肤和组织，一部分被吸收，一部分被反射回检测器。因为动脉中的血流量随心脏的每次跳动会有所变化，因此光线被吸收的量以及检测器收到的信号强度也会随之发生改变。绿光可以在手腕处提供最佳结果，而红光和红外光一般用于手指测量。 图2：PPG测量中检测器信号的产生。照射皮肤的光线(I0)被静脉血或动脉血吸收，或反射回检测器。信号的变化分量对应着与心跳同步变化的动脉血流量。这个信号的变化周期指示了脉率。最小和最大检测器信号的比值(光电流Imin/Imax)为判断血氧饱和度提供了依据。 如果用红外光和红光测量吸收率，就可以确定动脉血中的血氧饱和度。这种方法被称为脉搏血氧计，是确定血氧饱和度的唯一非侵入式方法，换句话说，也是唯一不需要采血的一种方法。脉搏血氧计利用了这样一个事实：血中氧气浓度不同，吸收的光量也不同。氧气在血液中是通过血红蛋白分子(Hb)运送的。Hb与氧分子结合后会形成氧合血红蛋白(HbO2)，其吸收性能也会发生改变(图3)。血液中两种血红蛋白分子(cHbO2和cHb)的浓度指示了氧饱和度SpO2：SpO2= cHbO2/(cHbO2 cHb)。 图3：血液中的血色素——血红蛋白(Hb)的光线吸收性能在与氧分子结合时(氧合血红蛋白或HbO2)会发生改变。血氧饱和度可以通过使用红光和红外光的PPG测量方法进行确定。 |
