現(xiàn)在智能穿戴的形態(tài)越來越多，附加的功能越來越豐富。例如，心率和血氧幾乎成為智能穿戴的標(biāo)準(zhǔn)功能，第11篇文章以智能手環(huán)和手表為例，談智能穿戴如何檢測(cè)心率和血氧。

　　常規(guī)血氧測(cè)試有兩種方法:

　　第一，傳統(tǒng)的血氧飽和度測(cè)試方法是先進(jìn)的人體采血，利用血?dú)夥治鰞x進(jìn)行電化學(xué)分析，測(cè)定血氧分壓PO2計(jì)算出血氧濃度，這種方法麻煩不能連續(xù)檢查。

　　第二，采用手指套式光電傳感器，將傳感器套在人的手指上，使用手指作為裝有血紅蛋白的透明容器，使用波長(zhǎng)660nm的紅光和940nm的近紅外光進(jìn)入光源，測(cè)定組織床的光傳感強(qiáng)度，計(jì)算血紅蛋白濃度和血氧飽和度。

　　血氧飽和度的定義:

　　人體紅細(xì)胞本身附著血紅蛋白，也就是HB，很容易與氧結(jié)合生成氧合血紅蛋白，也就是HBO2，還有血紅蛋白的還原，當(dāng)動(dòng)脈經(jīng)過毛細(xì)血管回到靜脈時(shí)，氧分子脫落，這就是紅細(xì)胞。紅細(xì)胞附帶血紅蛋白，其中含有四個(gè)氧分子，是飽和的血紅蛋白分子。血氧飽和度，典型值為健康人群，此值正常范圍為90%-100%。

　　如下圖所示，血紅蛋白沒有氧分子時(shí)，圖中的藍(lán)線HB，紅線吸收強(qiáng)，紅外線吸收弱的血紅蛋白帶有氧分子時(shí)，圖中的紅線HBO2，紅線吸收弱，紅外線吸收強(qiáng)。

　　通常的血氧測(cè)定器選擇兩個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)定，從吸收曲線來看，我們的光源選擇接近吸收峰的位置，因此紅光選擇660nm，紅外線選擇940nm。從圖中可以看到兩條曲線在800nm的位置交匯，那兩者的吸收是一樣的，所以不能選擇這個(gè)頻帶。

　　高端血氧測(cè)試，甚至高達(dá)8個(gè)波長(zhǎng)，最主要的原因是人體血紅蛋白除了還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白之外，還有其他血紅蛋白，我們經(jīng)常看到的是碳氧血紅蛋白，更多的波長(zhǎng)有利于你的精度更好。
 

　　智能穿戴怎么測(cè)量心率?

　　我們知道人體的血液是紅色的，主要是因?yàn)閷?duì)綠色的吸收很強(qiáng)。由于血管周期性的起搏，從血管到光電傳感器的距離發(fā)生了周期性的變化，只要傳感器不斷發(fā)射綠光，接收端就會(huì)收到周期性的吸收峰，對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的處理就能得到心率曲線。

　　我們消費(fèi)類的智能穿戴設(shè)備，如智能手表，體積非常有限，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的穿透式光電測(cè)試方法不現(xiàn)實(shí)，所以一般采用反射式光電測(cè)試方案。如下圖所示，一方面是光源發(fā)射LED，另一方面是CMOS接收端。通過反射光的變化，實(shí)時(shí)確認(rèn)檢查結(jié)果。為了確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，通常的發(fā)射頻率為3000~4000Hz，LED的占有率為50%左右。

　　了解血氧和心率的檢測(cè)原理后，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)品落地時(shí)，最大的問題是不能使手腕和手表無縫緊密接觸。例如，走路的時(shí)候，胳膊搖晃的話，傳感器和胳膊的相對(duì)位置可能會(huì)有差異，測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定，結(jié)果和標(biāo)定值的差異很大。

　　為了克服這個(gè)問題，我們想知道是否可以使用多組傳感器，并將其放在每個(gè)方向，以降低問題的可能性。例如，蘋果和MIO開始使用一組發(fā)射和接收，然后使用兩個(gè)發(fā)射源和兩個(gè)接收器，如下圖所示

　　兩組確實(shí)比一組有優(yōu)勢(shì)，但這個(gè)問題無法解決。也有人認(rèn)為我可以用多組發(fā)射，中間放置接收端(接收端集成了可見光接收和紅外光接收)。例如，下圖所示，周圍的發(fā)射端。從實(shí)際檢查效果來看，確實(shí)有所改善。但同步帶來新問題，耗電量大，發(fā)熱嚴(yán)重，發(fā)熱也會(huì)降低接收端的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。(圖中方形為接收端，圓形為發(fā)射端)

　　每個(gè)LED的工作電流都有10~30mA，實(shí)時(shí)監(jiān)視的話，多燈一起工作的電力消耗也不低，智能手表的電池容量只有500mA左右，會(huì)影響持續(xù)能力。設(shè)計(jì)師很郁悶，為什么不能把發(fā)射端放在中間呢?周圍放著接收端，剛才沒想到。關(guān)鍵是接收端的待機(jī)電流流只有μA級(jí)別，消耗電力可以忽視，同時(shí)也解決了發(fā)熱嚴(yán)重的問題。因此，現(xiàn)在也成為主流的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。(圖中方形為接收端，圓形為發(fā)射端)
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