在這個什么都要和“智能”串聯(lián)的年代，除了我們司空見款的手機(jī)外也就是一些智能手表和手環(huán)之類的穿戴設(shè)備了。這些智能穿戴設(shè)備集成了很多的傳感器，由于脈搏或者心率是生命體征的重要參數(shù)之一，所以心率率測量可算是高端入門產(chǎn)品必備的一個技能，正好最近有機(jī)會好好研究心率測量的技術(shù)，所以趁熱打鐵總結(jié)一下光學(xué)測量心率的相關(guān)知識。
在網(wǎng)上搜集了很多資料，目前心率測量有以下幾種傳感器技術(shù)（僅供參考）
1. 心電ECG
2. 光電容積脈搏波描記法PPG
3. 生物阻抗 bioimpedance
4. 攝像頭Camera RGB 、wifi等技術(shù)
在上述的幾種方法中，最被人們熟悉的應(yīng)該就是心電圖。在醫(yī)療領(lǐng)域，通常使用心電圖（ECG）測量生理電信號來實(shí)現(xiàn)心率和心臟活動的檢測。但是由于測量ECG信號，常常要在身體多個部位連接傳感器電極，在胸部和四肢之間最多可以連接10個電極。ECG信號雖然精準(zhǔn)并且信息豐富，但是考慮到穿戴設(shè)備的便攜性和功能簡單所以并沒有在穿戴設(shè)備上廣泛采用ECG技術(shù)。目前情況ECG還是在一些專業(yè)領(lǐng)域里面使用例如醫(yī)院、體育等方面的研究。
第二種光電容積脈搏波描記法，這個名字讀起來實(shí)在是高端，其實(shí)說簡單點(diǎn)就是利用光測量脈搏的一種技術(shù)。這種技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用，本文也是主要介紹這種技術(shù)。
第三種生物阻抗傳感器測量方法，目前市場上看到的好像只有Jawbone 的UP3了， 對于此技術(shù)網(wǎng)上的資料特別的少。不過通過親身體驗(yàn)試戴JawboneUP3，感覺這種技術(shù)應(yīng)該比光學(xué)測心率的技術(shù)難度大但是應(yīng)該更精準(zhǔn)更可靠。最后的Camera RGB和wifi都是是MIT研究出來的新技術(shù)，看起來都非常高端，MIT威武啊。其中一個是通過我們手機(jī)的攝像頭就能檢測出人體的體征變化，這個技術(shù)非常有意思并且也很高端，感興趣的可以看視頻介紹。另一個則是通過我們家里的wifi信號就能測，也甚是高端。當(dāng)然這兩種還沒有看到上市的產(chǎn)品所以就不多說了。
光電容積脈搏波描記法PPG
光學(xué)心率傳感器，如果帶過上述那些智能手表或者智能手環(huán)的朋友來說也不算稀奇的事情。就拿AppleWatch來說，測量心率時(shí)底部的表盤會發(fā)出綠色的燈光，并且測量的時(shí)候手腕最好保持不動否側(cè)會影響測量結(jié)果。接下來將詳細(xì)介紹光學(xué)心率測量的原理。
如下兩張圖是光學(xué)心率傳感器。圖a是LED沒有發(fā)光的時(shí)候中間是一個光敏二極管，圖b是傳感器的LED發(fā)光的時(shí)候。
圖a 圖b
那么為什么通過LED燈發(fā)光就能測量心率呢？
當(dāng)LED光射向皮膚，透過皮膚組織反射回的光被光敏傳感器接受并轉(zhuǎn)換成電信號再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，簡化過程：光--> 電 --> 數(shù)字信號
為什么大多數(shù)傳感器都是采用的綠光呢？
我們先看看光譜的特點(diǎn)，從紫外線到紅外線的波長是越來越長的。
之所以選擇綠光作為光源是考慮到一下·幾個特點(diǎn)：
1. 皮膚的黑色素會吸收大量波長較短的波
2. 皮膚上的水份也會吸收大量的UV和IR部分的光
3. 進(jìn)入皮膚組織的綠光(500nm)-- 黃光(600nm)大部分會被紅細(xì)胞吸收
4. 紅光和接近IR的光相比其他波長的光更容易穿過皮膚組織
5. 血液要比其他組織吸收更多的光
6. 相比紅光，綠（綠-黃）光能被氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收
總體來說，綠光-- 紅光能作為測量光源。早起多數(shù)采用紅光為光源，隨著進(jìn)一步的研究和對比，綠光作為光源得到的信號更好，信噪比也比其他光源好些，所以現(xiàn)在大部分穿戴設(shè)備采用綠光為光源。但是考慮到皮膚情況的不用（膚色、汗水），高端產(chǎn)品會根據(jù)情況自動使用換綠光、紅光和IR多種光源。
雖然知道了上面的幾個特點(diǎn)，但是還不足以弄清楚為什么通過光照就能測出心率、血氧等參數(shù)呢？
下圖就解釋了核心原理
當(dāng)光照透過皮膚組織然后再反射到光敏傳感器時(shí)光照有一定的衰減的。像肌肉、骨骼、靜脈和其他連接組織等等對光的吸收是基本不變的（前提是測量部位沒有大幅度的運(yùn)動），但是血液不同，由于動脈里有血液的流動，那么對光的吸收自然也有所變化。當(dāng)我們把光轉(zhuǎn)換成電信號時(shí)，正是由于動脈對光的吸收有變化而其他組織對光的吸收基本不變，得到的信號就可以分為直流DC信號和交流AC信號。提取其中的AC信號，就能反應(yīng)出血液流動的特點(diǎn)。我們把這種技術(shù)叫做光電容積脈搏波描記法PPG。
下圖是PPG信號和ECG信號的對比
實(shí)際測量手指的PPG信號如下：
所以，只要測得到的PPG信號比較理想算出心率也不算什么難事。但是事實(shí)總是殘酷的，由于測量部位的移動、自然光、日光燈等等其他的干擾，最終測到的信號可能是下面的這種，所以要通過很多方法進(jìn)行濾波處理
對于PPG信號的處理，目前我知道的有兩種方法。一種是時(shí)域分析，即算出一定時(shí)間內(nèi)PPG信號的波峰個數(shù)，另一種是通過對PPG信號進(jìn)行FFT變換得到頻域的特點(diǎn)。
時(shí)域方法：
通過對原始的{PPG信號進(jìn)行濾波處理，得到一定時(shí)間內(nèi)的波峰個數(shù)，然后既可算出心率值
假設(shè)連續(xù)采樣5秒的時(shí)間，在5s內(nèi)的波峰個數(shù)為N，那么心率就是N*12 （這個相信大家都懂，就跟把脈一樣~）
頻域分析：
上面分析過，我們把血液流動對光吸收轉(zhuǎn)變成了AC信號，如果對于進(jìn)行FFT變換，那么就能看到頻域的特點(diǎn)。如下圖就是對PPG信號的FFT轉(zhuǎn)變
上圖中的頻域圖，0Hz的信號很強(qiáng)，這部分是骨骼、肌肉等組織的DC信號，在1Hz附近有個相對比較突出的信號就是血液流動轉(zhuǎn)變的AC信號。假設(shè)測得到的頻率f = 1.2Hz
那么心率HeartRate HR = f x60 = 1.2 x 60 = 72
最后再簡單提一下血氧的測量，相比心率血氧測量難度較大而且精度不算太高。測量血氧的原理圖下圖所示
由于血液中含有的氧合血紅蛋白HbO2和血紅蛋白Hb存在一定的比例，簡單說也就是含氧量吧。上面的圖表示了氧合血紅蛋白HbO2和血紅蛋白Hb對波長600~1000nm的光吸收特性，從圖中可以看出上600~800nm間Hb的吸收系數(shù)更高，800~1000之間HbO2的吸收系數(shù)更高。所以可以利用紅光（600~800nm）和接近IR（800~1000nm）的光分別檢測HbO2和Hb的PPG信號，然后通過程序處理算出相應(yīng)的比值，這樣就得到了血氧值。
但是由于光源不同，直接利用紅光和接近IR的光進(jìn)行信號對比是不可靠的，因?yàn)榧t光和IR透過皮膚組織也會產(chǎn)生不同的吸收。下圖是紅光和IR透過皮膚的原始信號示意圖
上面分析說過，DC部分是光透過皮膚組織轉(zhuǎn)換成的直流信號，AC是血液流動產(chǎn)生轉(zhuǎn)換成的交流信號。由于皮膚組織對紅光和IR的吸收程度不同，DC部分自然也就不一樣。為了能共“公平對待”兩種光源的PPG信號，所以需要對原始信號處理一下。下圖示意了處理后的信號（DC部分相等）
通過一定的比例計(jì)算，公平對待Red和IR的PPG信號。這樣計(jì)算出來的Hb和HbO2比例才可靠。
