設(shè)計(jì)光學(xué)心率監(jiān)測(cè) (HRM) 系統(tǒng)，也稱(chēng)為光電容積描記術(shù) (PPG)，是一項(xiàng)復(fù)雜且多學(xué)科的工作。設(shè)計(jì)因素包括人體工程學(xué)、信號(hào)處理和濾波、光學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)、低噪聲信號(hào)接收電路和低噪聲電流脈沖創(chuàng)建。

可穿戴設(shè)備制造商越來(lái)越多地將 HRM 功能添加到他們的健康和健身產(chǎn)品中，這有助于降低 HRM 應(yīng)用中使用的傳感器的成本。許多 HRM 傳感器現(xiàn)在將光電探測(cè)器和 LED 等分立元件組合成高度集成的模塊。這些模塊實(shí)現(xiàn)了更簡(jiǎn)單的實(shí)施，從而降低了將 HRM 添加到可穿戴產(chǎn)品的成本和復(fù)雜性。

可穿戴形式因素也在穩(wěn)步變化。雖然胸帶多年來(lái)一直有效地服務(wù)于健康和健身市場(chǎng)，但 HRM 現(xiàn)在正在遷移到基于手腕的可穿戴設(shè)備。光學(xué)傳感技術(shù)和高性能、低功耗處理器的進(jìn)步使基于手腕的外形尺寸適用于許多設(shè)計(jì)。HRM 算法也達(dá)到了手腕形狀因素可以接受的復(fù)雜程度。

其他新的可穿戴傳感形式因素和位置正在出現(xiàn)——例如頭帶、運(yùn)動(dòng)和健身服裝以及耳塞。然而，大多數(shù)可穿戴生物識(shí)別傳感將在手腕上完成。

HRM 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

沒(méi)有兩個(gè) HRM 應(yīng)用程序是相同的。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員必須考慮許多設(shè)計(jì)權(quán)衡：最終用戶(hù)的舒適度、傳感精度、系統(tǒng)成本、功耗、陽(yáng)光抑制、如何處理多種皮膚類(lèi)型、運(yùn)動(dòng)抑制、開(kāi)發(fā)時(shí)間和物理尺寸。這些設(shè)計(jì)考慮因素會(huì)影響系統(tǒng)集成選擇：是使用高度集成的模塊還是包含更多分立組件的架構(gòu)。

圖 1：光學(xué)心率監(jiān)測(cè)的操作原理。

圖 1 顯示了測(cè)量心率信號(hào)的基本原理，這取決于從組織中光學(xué)提取的心率壓力波。它顯示了光線(xiàn)進(jìn)入皮膚的傳播路徑。由心率壓力波引起的毛細(xì)血管的擴(kuò)張和收縮會(huì)調(diào)節(jié)由綠色 LED 注入組織的光信號(hào)。

接收到的信號(hào)會(huì)因穿過(guò)皮膚而大大衰減，并被光電二極管拾取并發(fā)送到電子子系統(tǒng)進(jìn)行處理。檢測(cè)、分析和顯示由脈沖引起的幅度調(diào)制。

HRM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法是使用定制編程的現(xiàn)成 MCU，它控制外部 LED 驅(qū)動(dòng)器的脈沖并同時(shí)讀取分立光電二極管的電流輸出。請(qǐng)注意，光電二極管的電流輸出必須轉(zhuǎn)換為電壓以驅(qū)動(dòng)模數(shù) (A/D) 模塊。圖 2中的示意圖 顯示了這種系統(tǒng)的概要。

圖 2：捕獲光學(xué)心率所需的基本電子設(shè)備。

在這里，值得注意的是，I-to-V 轉(zhuǎn)換器在 0 光電二極管電流下產(chǎn)生等于 V REF 的電壓，并且電壓隨著電流的增加而降低。

HRM 構(gòu)建模塊

心率系統(tǒng)中通常使用的電流脈沖介于 2 mA 和 300 mA 之間，具體取決于對(duì)象皮膚的顏色和所需信號(hào)需要與之競(jìng)爭(zhēng)的陽(yáng)光強(qiáng)度。與所需的綠色 LED 光不同，陽(yáng)光中的紅外 (IR) 輻射通過(guò)皮膚組織幾乎沒(méi)有衰減，并且可以淹沒(méi)所需的信號(hào)，除非綠光非常強(qiáng)或除非添加了昂貴的 IR 阻擋濾光片。

一般來(lái)說(shuō)，進(jìn)入皮膚的綠色 LED 光的強(qiáng)度在陽(yáng)光強(qiáng)度的 0.1 到 3 倍之間。由于組織的嚴(yán)重衰減，到達(dá)光電二極管的信號(hào)非常微弱，并且產(chǎn)生的電流剛好足以實(shí)現(xiàn)合理的信噪比 (SNR) — 70 到 100 dB — 由于散粒噪聲，即使在完美、無(wú)噪聲的運(yùn)算放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器的存在。

散粒噪聲是由于在 25 Hz 下發(fā)生的每個(gè)讀數(shù)接收到的電子數(shù)量有限。設(shè)計(jì)中使用的光電二極管尺寸介于 0.1 mm 2 和 7 mm 2之間。然而，在 1 毫米以上，由于陽(yáng)光的影響，收益遞減。

如圖 2所示，在光學(xué)心率系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)困難且成本高昂的功能塊是驅(qū)動(dòng) LED 的快速、高電流 V-to-I 轉(zhuǎn)換器，這是一種用于光電二極管，以及 MCU 中的可靠算法，可在主機(jī)控制下對(duì)脈沖進(jìn)行排序。低噪聲 LED 驅(qū)動(dòng)器 — 具有 300 mA 和 75–100 dB SNR — 可以設(shè)置為低至 2 mA 的極低電流，同時(shí)仍能產(chǎn)生低至 10 μs 的非常窄的光脈沖，這是使用離散運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的昂貴模塊安培。

如圖 2所示，低至 10 μs 的窄光脈沖使系統(tǒng)能夠承受運(yùn)動(dòng)和陽(yáng)光。通常，對(duì)每個(gè) 25-Hz 樣本進(jìn)行兩次光測(cè)量。一項(xiàng)測(cè)量是在 LED 關(guān)閉的情況下進(jìn)行的，一項(xiàng)是在 LED 開(kāi)啟的情況下進(jìn)行的。計(jì)算出的差異消除了環(huán)境光的影響，并提供了對(duì)閃爍的背景光不敏感的所需原始光信號(hào)測(cè)量值。

光脈沖的短持續(xù)時(shí)間既允許也需要相對(duì)強(qiáng)的光脈沖。必須保持比可能存在的陽(yáng)光信號(hào)更亮，并且不允許 PPG 信號(hào)載體被陽(yáng)光信號(hào)相形見(jiàn)絀。

如果陽(yáng)光信號(hào)大于 PPG 載波，那么盡管可以通過(guò)減法將其去除，但信號(hào)可能非常大，以至于外部調(diào)制(例如擺動(dòng)手臂進(jìn)出陰影)會(huì)產(chǎn)生難以去除的偽影。因此，使用低電流 LED 驅(qū)動(dòng)器和大型光電二極管的系統(tǒng)在強(qiáng)光情況下可能會(huì)受到運(yùn)動(dòng)偽影的嚴(yán)重影響。

分立式與集成式設(shè)計(jì)

許多所需的 HRM 傳感功能都可以預(yù)先設(shè)計(jì)并集成到單個(gè)設(shè)備中。將大部分功能封裝到一塊硅片中，可以形成一個(gè)相對(duì)較小的 3 x 3 毫米封裝，甚至可以集成光電二極管本身。

圖 3 顯示了帶有光學(xué)傳感器的示意圖示例。這種 HRM 設(shè)計(jì)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。您只需要關(guān)注設(shè)計(jì)的光學(xué)部分，其中包括電路板上部件之間的光學(xué)阻擋以及系統(tǒng)與皮膚的耦合。

圖 3：集成心率傳感器僅需要外部 LED。

雖然圖 3中所示的方法 產(chǎn)生了高性能 HRM 解決方案，但它并不像某些設(shè)計(jì)人員所希望的那樣小或高能效。為了實(shí)現(xiàn)更小的解決方案，LED 管芯和控制硅片必須集成到一個(gè)封裝中，該封裝包含所有基本功能，包括光阻擋和提高 LED 輸出的透鏡。圖 4 說(shuō)明了這種更加集成的方法，基于 Silicon Labs Si117x 光學(xué)傳感器。

圖 4：高度集成的 HRM 傳感器模塊，包含所有基本組件。

此 HRM 設(shè)計(jì)不需要外部 LED。LED 和光電二極管都在模塊內(nèi)部，可以安裝在智能手表等可穿戴產(chǎn)品背面的光學(xué)端口正下方。與分立設(shè)計(jì)相比，這種方法可以縮短 LED 和光電二極管之間的距離。由于穿過(guò)皮膚的光損耗較低，因此縮短的距離允許在極低的功率下運(yùn)行。

集成 LED 還解決了 LED 和光電二極管之間的漏光問(wèn)題，因此設(shè)計(jì)人員不必在 PCB 上添加光阻。這種方法的替代方法是使用塑料或泡沫插入物和 PCB 上的特殊銅層來(lái)處理阻塞。

開(kāi)發(fā)人員不一定需要?jiǎng)?chuàng)建 HRM 設(shè)計(jì)的另一部分：HRM 算法。由于通常在運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)期間發(fā)生的信號(hào)損壞，駐留在主機(jī)處理器上的這個(gè)軟件塊非常復(fù)雜。最終用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)通常會(huì)產(chǎn)生自己的信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)欺騙實(shí)際的心率信號(hào)，有時(shí)會(huì)被錯(cuò)誤地識(shí)別為心率跳動(dòng)。

如果可穿戴開(kāi)發(fā)人員或制造商沒(méi)有資源來(lái)開(kāi)發(fā)算法，第三方供應(yīng)商會(huì)在許可的基礎(chǔ)上提供此軟件。由設(shè)計(jì)人員決定適合 HRM 應(yīng)用程序的集成程度。開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)使用許可算法選擇高度集成的基于模塊的方法來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程并加快上市時(shí)間。

擁有深入光學(xué)傳感專(zhuān)業(yè)知識(shí)、時(shí)間和資源的開(kāi)發(fā)人員可能會(huì)選擇使用單獨(dú)的組件——傳感器、光電二極管、鏡頭等——并進(jìn)行自己的系統(tǒng)集成，甚至創(chuàng)建自己的 HRM 算法。