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斐讯W3智能运动手环24小时心率监测原理剖析

第一次用智能运动手环,对什么都感到好奇,并且在收到货的当天,就写了《斐讯W3运动手环评测、购买返现及常见问题》。今天,就了解下斐讯W3智能运动手环是如何利用 HRM(光学心率监测系统)进行24小时心率监测的。首先我们来下看它的传感器:

什么是 HRM(光学心率监测系统)

在斐讯W3智能运动手环中,HRM就是4个电极圆点上方的那个突起物,也就是充电器凹陷的那个地方。为什么相对于手环要凸起呢?缙哥哥认为是为了更加准确的心率监测,因为不贴合皮肤、漏光(会发射出绿色的光线)、手环来回移动都会影响心率的监测结果。所以凸起是为了更好的贴合皮肤,防止手环移动。

心率监测的原理是什么

测量心率信号原理是用光学方法从人体组织上提取的心率压力波。下图说明了光进入皮肤后传输的途径:由心率压力波引起的毛细血管舒张和收缩运动对由绿色LED注入人体组织的光信号进行了调制。接收到的信号因为通过了皮肤而被大大地衰减,它被一个光电管接收并送到电子子系统中去处理。简单的说就是当LED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AD转换成数字信号,一个 光 – 电 – 数字信号 的转变过程。

光学心率检测的运行原理

光学心率检测的运行原理

心率监测系统设计的一种基本方法采用了一种定制的的微控制器(MCU),它被用于控制外部 LED驱动器 的脉冲信号发生,并同时读取一个分离的光电管上的电流输出数据。已知光电管的电流输出必须转换为电压,输出给模拟到数字转换(A/D)单元,图2中的原理图说明了这类系统的基本原理。已知电流到电压转换器在光电管电流为0时产生一个等于VREF的电压,而随着电流的增加电压将下降。

光谱波长图

光谱波长图

用在心率系统中的电流脉冲通常在 2mA 到 300mA 之间,具体数值取决于被测的皮肤颜色,以及所期望的信号必须抵消阳光。阳光中的红外辐射透过皮肤组织时的衰减很小,这与期望采用的绿光LED发出的光线不同,所以它能够淹没绿光的信号,除非所采用的绿光非常强,或者添加一个昂贵的红外线阻断滤波器。

在通常情况下,射入皮肤的绿色LED光线的强度,是阳光强度的0.1倍到3倍。由于人体组织的严重衰减作用,到达光电管的信号非常微弱,需要产生仅够使用的电流来实现合理的 70-100dB 信噪比(SNR),以便在即使是有完美的、无噪声运算放大器和A/D转换器的情况下来消除噪声。

采用这种消噪的原因是在每秒25次的数据读取中,每次光电管都会接收到一定数量的电子。设计中所采用的光电管的大小在 0.1mm2 到 7mm2 之间。但是,当它大于 1mm 时就会因阳光的影响而出现不确定的返回值。

所以,总结起来之所以选择绿光作为光源就是因为以下几点:

  1. 皮肤的黑色素会吸收大量波长较短的波
  2. 皮肤上的水份也会吸收大量的UV和IR部分的光
  3. 进入皮肤组织的绿光(500nm)– 黄光(600nm)大部分会被红细胞吸收
  4. 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
  5. 血液要比其他组织吸收更多的光
  6. 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

总体来说,绿光、红光能作为测量光源。早起多数采用红光为光源(大家可以在医院看到,很多夹在手指头上的心率监测都还是红色),随着进一步的研究和对比,绿光作为光源得到的信号更好,信噪比也比其他光源好些,所以现在大部分穿戴设备采用绿光为光源。但是考虑到皮肤情况的不用(肤色、汗水),高端产品会根据情况自动使用换绿光、红光和IR多种光源。

用光电法获取心率数据所需的基本电子线路

用光电法获取心率数据所需的基本电子线路

上图所示,在一个光电心率系统设计中,难以实现和成本很高的功能模块分别是:快速的、大电流的驱动LED的电压到电流转换器,用于光电管的电流到电压转换器,以及运行算法和对序列信号进行处理的MCU。一个可被设置到低至 2mA 的很低电流,但同时仍然能产生短至 10µs 的非常窄的光脉冲低噪声(75 – 100 dB SNR)300mA LED驱动器也是一个用分离器件实现起来非常昂贵的模块。

而短至 10µs 的窄光脉冲支持系统去容忍运动和阳光,典型的方法是每秒25次采样率下的每次次的快速光测试,一次测量是在LED关闭的情况下完成的,而另一次则是在LED打开的情况下完成。计算得出的差值消除了环境光的影响,重要的是给出了对闪烁的背景光不敏感的期望的原始光信号测量值。

极短的光脉冲可以提供更强的光脉冲,可以比阳光的亮度更高,这也许是目前的解决方案并使PPG信号载波不被阳光信号所破坏的方法之一。如果阳光信号大于PPG载波,尽管它可以通过减法被消除,但是手臂运动会带来的难以消除的噪声。所以系统会使用一个低电流的LED驱动器和大面积的光电管对运动和阳光噪声进行补偿。

许多期望的心率检测感测功能可以通过预先的设计和集成,用仅仅一个器件来实现。将该项功能的大多数电路集成到一块芯片中,可实现相对较小的3 mm x 3 mm封装,这甚至可以把光电管自己集成于其中。

高集成,小尺寸,低功耗,内建算法的Si118x HRM模块

下图以Silicon Labs的Si118x光学传感器为例来说明电路原理,基于此器件可以相对方便地实现心率检测设计。只需专注于设计的光学部分,其中包括电路板上各部分间的光学单元和将该系统如何与皮肤配合。

一个只需要外部LED的集成化心率传感器

一个只需要外部LED的集成化心率传感器

那么上图所示的方法可以实现高性能的心率检测解决方案,它并不是期望的小型化或高功效方案。为了实现更小的解决方案,LED片芯和控制芯片必须被集成到同一个封装中,其中集成了所有的必需的功能,包括光学单元和可以改善LED输出的透镜。下图说明了这种集成度更高的解决方案,它基于Silicon Labs的Si117x光学传感器。

这种心率检测设计不需要额外的LED,因为LED和光电管都集成在模组内部了,而该模组可以直接安装在光学界面的下面,亦即诸如智能手表等可穿戴产品的后盖里面。这种颇具优势的方法使LED与光电管之间的距离短于分离器件设计,这种更短的距离支持极低功耗的运行,这是因为在穿透皮肤时的光损失更低。

集成多个LED也解决了LED与光电管之间的光泄漏问题,其结果是不必在印刷电路板上添加光阻隔离。不采取这种方法的结果是,用塑料或者泡沫插入物和印刷电路板上的特别铜层来处理隔离。

一个高度集成的心率检测传感器模组集成了所有必须的元器件

一个高度集成的心率检测传感器模组集成了所有必须的元器件

当然,其中还有一款心率检测设计的开发人员不必去关心的部分:心率检测算法。这个寄附在主处理器上软件单元非常复杂,其原因是在用户锻炼或者进行运动时会发生信号变差的情况。最终用户的运动通常会产生其自身的信号,它们可能欺骗真正的心率信号,并在有些时候被错误地认作是心率节奏。

如果一家可穿戴产品的开发人员没有开发算法的资源,第三方供应商可以以软件授权交易的提供这种软件。Silicon Labs也提供用于其Si117x/8x光学传感器心率算法,它们可以在编译后运行在大多数处理器上。

当然,最终由决定各种心率检测应用中需要多高的集成度才合适,能够用高集成度的模组化解决方案和购买算法授权去简化设计过程并加快产品上市。对于对光学感测有深入认识、同时时间及资源也颇为丰沛的开发人员,这可以选择使用分离元器件(传感器、光电管和镜头等等)及自己的系统集成,甚至还可以开发他们自己的心率检测算法。

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