健(jian)身(shen)追(zhui)蹤(zong)器(qi)可(ke)以(yi)測(ce)量(liang)心(xin)率(lv)和(he)其(qi)他(ta)生(sheng)命(ming)體(ti)征(zheng)以(yi)幫(bang)助(zhu)用(yong)戶(hu)設(she)定(ding)日(ri)常(chang)鍛(duan)煉(lian)活(huo)動(dong)。健(jian)身(shen)追(zhui)蹤(zong)器(qi)通(tong)常(chang)內(nei)置(zhi)運(yun)動(dong)傳(chuan)感(gan)器(qi)，可(ke)以(yi)檢(jian)測(ce)運(yun)動(dong)模(mo)式(shi)以(yi)幫(bang)助(zhu)區(qu)分(fen)步(bu)行(xing)、跑步與遊泳，因此它也可以用作計步器。為在日常生活中提供舒適和便利，測量通常在手腕上進行，因為傳感器可以放置在手表、珠zhu寶bao和he腕wan帶dai等deng配pei飾shi中zhong。但dan是shi
，此ci位wei置zhi對dui測ce量liang質zhi量liang而er言yan並bing非fei最zui佳jia。心xin率lv檢jian測ce會hui受shou到dao運yun動dong偽wei像xiang的de限xian製zhi而er難nan以yi進jin行xing
，因yin為wei肌ji肉rou質zhi量liang相xiang對dui較jiao大da，會hui限xian製zhi與yu動dong脈mai的de接jie觸chu。

 

xiangbizhixia，erduogengshihejinxingguangxuexinlvceliang。erchuiyibeiyixuezhuanjiayongyuceliangxueyangshuiping。dandaomuqianweizhi
，zheshangweizaixiaofeizhecengmianshangdedaochongfenliyong，yinweijiyuerduodeceliangshebeishoukongjianxianzhi

，bingqiegonghaofeichanggao
，xuyaodadianchi。dansuizhegaojichengdu
、更低功耗芯片的推出
，ADI公(gong)司(si)已(yi)開(kai)發(fa)出(chu)解(jie)決(jue)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。現(xian)在(zai)可(ke)以(yi)將(jiang)有(you)效(xiao)運(yun)作(zuo)的(de)生(sheng)命(ming)體(ti)征(zheng)測(ce)量(liang)器(qi)件(jian)集(ji)成(cheng)到(dao)典(dian)型(xing)的(de)入(ru)耳(er)式(shi)耳(er)機(ji)中(zhong)。響(xiang)應(ying)度(du)的(de)改(gai)進(jin)開(kai)辟(pi)了(le)全(quan)新(xin)的(de)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)和(he)可(ke)能(neng)性(xing)。本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)並(bing)評(ping)估(gu)了(le)該(gai)係(xi)統(tong)。

 

基礎測量方法是光學性的。測量使用來自最多三個LED的短脈衝信號。LED電流最高可達370 mA，最小脈衝寬度為1μs。LED的(de)最(zui)佳(jia)波(bo)長(chang)根(gen)據(ju)測(ce)量(liang)位(wei)置(zhi)和(he)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)來(lai)選(xuan)擇(ze)。手(shou)腕(wan)上(shang)隻(zhi)能(neng)測(ce)量(liang)表(biao)麵(mian)動(dong)脈(mai)，故(gu)而(er)選(xuan)擇(ze)綠(lv)光(guang)，耳(er)朵(duo)則(ze)不(bu)同(tong)，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)紅(hong)外(wai)光(guang)，從(cong)而(er)獲(huo)得(de)更(geng)大(da)的(de)穿(chuan)透(tou)深(shen)度(du)和(he)更(geng)高(gao)的(de)SNR。光電二極管（其探測麵積與其響應度直接相關）用於測量反射光。因此，它會同時測量信號和背景噪聲。下遊模擬前端提供更高的SNR。它ta用yong作zuo信xin號hao濾lv波bo器qi
，將jiang檢jian測ce到dao的de電dian流liu轉zhuan換huan為wei電dian壓ya
，進jin而er轉zhuan換huan為wei數shu字zi形xing式shi。除chu反fan射she測ce量liang外wai
，算suan法fa還hai包bao括kuo用yong於yu通tong過guo加jia速su度du計ji濾lv除chu運yun動dong偽wei像xiang的de校xiao正zheng。

 

組成測量係統的器件說明如下。ADI公司的ADPD144RI芯片用作模擬前端，它還集成了光電二極管和LED。測量由三軸加速度計提供支持，該三軸加速度計不僅用於識別步態和運動，還用於去除偽像。本例中使用ADXL362。整個過程由ADuCM3029微控製器控製
，該微控製器用作各種傳感器的接口並包含算法。

 

圖1.集成光學傳感器和加速度計的測試係統，刻度尺用於比較。

 

圖1顯示了該測試係統
，常規耳塞中同時容納了光學傳感器和加速度計。已采取措施將ADC采樣率限製在100 Hz並最小化LED強度
，以盡可能降低功耗。

 

weileduixitongtexingjinxingbiaozheng，zhenduibutongdeyundongmoshikaolvlewuzhongbutongdechangjing。pinggujinshiyongguangxuexinhao，zheyangjiunengzhidaomaichongceliangbuzhunquexingchuxianzainaxiechangjingzhong，yijiheshixuyaojiasudujishujulaitigaomaichongceliangdejingdu。changjinghangaiyixiayundongshunxu：

 

● 站著不動

● 站著不動並咀嚼

● 在辦公桌前工作

● 步行

●  跑步和跳躍

 

測試場景1

 

站著不動

 

圖2weifuduyucaiyangsulvdeguanxitu，xianshileyuanshishujudepinpu。suizheshijiantuiyi，maiboketongguofengzhilaishibie。zaimeiyouyundongdeqingkuangxia，xinhaofeichangqingxi
，xinlvketongguofengzhiweizhiheyizhidecaiyangsulvlaiqueding。

 

圖2.測量幅度過采樣率以提供有關心率的信息

 

光學傳感器用兩種LED顏色——紅外和紅光——記錄心率，每種顏色有四個通道。這樣就可以通過兩種不同顏色的通道來區分測量，並且可以選擇更穩健的版本。各種通道的信號如圖3Asuoshi。liyongliugetongdaokeyishibiechufeichangmingquedexinhao，tongshilianggetongdaobaohe。weilehuodegengqianghegengwenjiandexinhao，suanfahuitianjiaxiangyingdebubaohetongdaobingjisuanxinlv。tu3B顯示了紅光通道（頂部）和紅外通道（底部）的心率
，同時借助色標顯示了測量的置信度。圖中還給出了心率的倍數

，由此可以通過采樣速率和置信度指示來區分原始信號（虛線）。

 

總(zong)之(zhi)

，在(zai)沒(mei)有(you)運(yun)動(dong)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，信(xin)號(hao)很(hen)強(qiang)且(qie)沒(mei)有(you)阻(zu)礙(ai)噪(zao)聲(sheng)

，因(yin)此(ci)算(suan)法(fa)能(neng)以(yi)高(gao)可(ke)信(xin)度(du)確(que)定(ding)心(xin)率(lv)。來(lai)自(zi)紅(hong)外(wai)通(tong)道(dao)的(de)信(xin)號(hao)強(qiang)於(yu)來(lai)自(zi)紅(hong)光(guang)通(tong)道(dao)的(de)信(xin)號(hao)。

 

測試場景2

 

站著不動並咀嚼

 

場景2引入了額外的咀嚼動作。記錄的頻譜如圖4所示。與測試場景1不bu同tong，這zhe裏li可ke以yi清qing楚chu地di看kan到dao運yun動dong偽wei像xiang
，其qi在zai信xin號hao中zhong表biao現xian為wei跳tiao躍yue。它ta們men在zai通tong道dao總zong和he中zhong也ye變bian得de清qing晰xi，不bu再zai表biao現xian出chu如ru此ci明ming顯xian不bu同tong的de速su率lv。然ran而er，算suan法fa還hai是shi能neng夠gou在zai沒mei有you運yun動dong傳chuan感gan器qi額e外wai幫bang助zhu的de情qing況kuang下xia以yi高gao置zhi信xin度du正zheng確que地di確que定ding心xin率lv。有you意yi思si的de是shi，紅hong外wai信xin號hao強qiang度du再zai次ci大da於yu紅hong光guang通tong道dao的de信xin號hao強qiang度du。

 

圖3.紅色區域（頂部）顯示站著不動情況的四通道測量，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定，色標指示置信度。

 

圖4.紅色區域（頂部）顯示站著不動並咀嚼情況的四通道測量

，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定，色標指示置信度。心率可以在沒有加速度計的情況下予以確定。

 

圖5.紅色區域（頂部）顯示在辦公桌前工作情況的四通道測量，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定

，色標指示置信度。心率可以在沒有加速度計的情況下予以確定。

 

圖6.紅色區域（頂部）顯示步行情況的四通道測量，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定，色標指示置信度。對於紅外情況，心率可以在沒有加速度計的情況下予以確定。

 

圖7.紅色區域（頂部）顯示跑跳情況的四通道測量，而紅外區域（底部）顯示原始數據和加總數據。心率（黑線）可以由算法通過加總數據確定，色標指示置信度。沒有加速度計很難確定心率。

 

圖8.無加速度計數據（左）和有加速度計數據（右）的加性頻譜比較。利用加速度計可以重建用戶的心率。

 

測試場景3

 

在辦公桌前工作

 

場景3中測試了另一種日常情況。測試人員坐在桌子前進行一些正常工作以及相關的動作。與場景2類似
，可以檢測到運動偽像，由此算法可以識別兩個通道中的心率。從圖5中可以看出，紅外信號在這裏同樣占主導地位。

 

測試場景4

 

步行

 

先前的場景關注的是靜止測量情況，但在本場景中，測試人員以低速（大約每分鍾50步）沿一個方向均勻移動。如圖6所示，PPGxinhaozhonghunhelexinlvyubufa，gezhongshengdaodezonghexianshidexinhaofeichangmohu。suiranzaihongguangxinhaochangzhongwufajisuanmingquedexinlv，dansuanfazaihongwaixinhaozhongzhaodaoyigenihedexinlv。raner，youyubodonghendahejuzhendezhixinduhendi，laizijiasudujidefujiayundongshujujiangfeichangyouyong，tebieshiyinweidaomuqianweizhi


，celiangjinzaijiaodibuxingsuduxiajinxing。

 

測試場景5

 

跑步和跳躍

 

場景5不是測量均勻運動，而是短跑和跳躍以一定的間隔交替進行。現在可以非常清楚地識別運動偽像，算法很難隔離出正確的心率
，如圖7所示。需要運動傳感器提供支持似乎是不可避免的。

 

為了更好地評估對運動傳感器的需求，場景5測試了使用和不使用加速度計兩種情況下的測量技術。圖8顯示了無校正加速度計數據（左）和有校正加速度計數據（右）的加性頻譜的比較。在識別心率時可以看到信號明顯改善，如果沒有加速度計的支持，這是不可能的。

 

從cong測ce試shi案an例li中zhong可ke以yi得de出chu結jie論lun
，在zai大da多duo數shu情qing況kuang下xia，心xin率lv可ke以yi利li用yong耳er塞sai中zhong集ji成cheng的de傳chuan感gan器qi非fei常chang精jing確que地di加jia以yi確que定ding。在zai局ju部bu或huo慢man速su平ping移yi運yun動dong的de情qing況kuang下xia

，心xin率lv甚shen至zhi可ke以yi在zai不bu使shi用yong加jia速su度du計ji數shu據ju的de情qing況kuang下xia加jia以yi確que定ding。然ran而er
，在zai突tu然ran和he快kuai速su運yun動dong的de極ji限xian情qing況kuang下xia，與yu運yun動dong校xiao正zheng數shu據ju進jin行xing比bi較jiao也ye能neng釋shi讀du數shu據ju。在zai所suo有you情qing況kuang下xia，紅hong外wai信xin號hao均jun強qiang於yu紅hong光guang信xin號hao。

 

與手腕測量相比
，耳朵中的信號更強，因此測量精度可以達到更高水平。此外，使用紅光或紅外光可以測量血氧水平。

 

結論

 

總zong之zhi，功gong能neng測ce試shi係xi統tong也ye已yi證zheng明ming，耳er朵duo測ce量liang非fei常chang有you前qian途tu。測ce量liang裝zhuang置zhi也ye可ke以yi通tong過guo更geng好hao的de機ji械xie集ji成cheng來lai改gai進jin，並bing加jia以yi擴kuo展zhan來lai實shi現xian額e外wai的de測ce量liang。這zhe樣yang
，加jia速su度du計ji還hai可ke用yong於yu跌die倒dao檢jian測ce和he步bu態tai識shi別bie，從cong而er為wei客ke戶hu創chuang造zao更geng多duo價jia值zhi。

 

 

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