Global Sources
電子工程專輯
 
電子工程專輯 > 感測器/MEMS
 
 
感測器/MEMS  

為穿戴式健身裝置設計LED感測器

上網時間: 2015年03月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:光學感測器  脈搏率  血氧濃度  光電二極體  LED 

作者:Joerg Heerlein與Tilman Ruegheimer,OSRAM Opto Semiconductors

越來越多的人們透過可穿戴的小玩意兒及其相應的應用程式(App)來追蹤健身運動。光學感測器適用於測量脈博和血氧濃度。歸功於現代的LED技術進展,這種在醫療領域已經非常成熟的光學感測器技術如今正被移植於消費應用中。

這一切就從可記錄人們走路步數的手環開始。現在,諸如健身手環和智慧手錶等多種運動追蹤器還可以測量心率和其它生物指標或監測睡眠品質。許多人非常看好能夠追蹤自己健身情況的新機會,從而帶動越來越流行的‘量化自我’(Quantified Self)運動。三星(Samsung)、蘋果(Apple)和Google等業界大廠正挾其App、智慧手錶和智慧手機進入這一不斷成長中的市場。

圖1:量化自我(Quantified Self)運動
圖1:隨著量化自我運動的持續發展,用於醫療應用的光學感測器開始滲透進消費電子領域,特別是健身手環、智慧手錶和智慧型手機。這可歸功於具有優質頻譜純度的高效率LED。

雖然計步器使用的是加速感測器,但醫療領域中常用於脈搏和血氧測量的光學方法如今也正進軍消費市場。在醫院環境中,感測器大多數安裝在耳朵或手指夾中。2013年,Mio Alpha的智慧手錶成為首款使用光學感測器在手腕上測量脈搏率的手環產品——與運動員以往穿戴的胸帶相比有了顯著改善,因為沒有人想整天把胸帶戴在身上。

智慧型手機也可以用來在手指上測量脈搏率。最近上市的第一批健身手環只需將你的手指放在螢幕上,就可以測量血液中的血氧濃度。對於喜歡在高海拔地區活動的登山者、高空滑翔人員和滑翔機引導員,以及患有心臟疾病或肺病的人而言,這個功能非常實用。

光學測量方法

利用感測器測量脈搏率和血氧濃度的原理被稱為‘光體積描記法’(PPG),換句話說,光學測量的是血管中血流量的變化。這種方法的原理是:動脈中輸送的血流量隨心臟泵送週期呈現有規律的變化。心臟有節奏地按照一定週期泵血(心臟收縮)和抽血(心臟舒張)。這意味著在心臟收縮階段會有更多的血流經動脈,而在心臟舒張階段血流則較少。透過測量身體某個特定部位的血流量變化,就可以從被測訊號的週期性得到脈搏率。

圖2:反射光脈搏測量原理。
圖2:反射光脈搏測量原理。感測器發出的光透過皮膚和組織後被吸收或被反射回檢測器。因為動脈中的血流量隨心臟每次跳動發生改變,因此光線被吸收的量以及檢測器收到的訊號強度也會隨之變化。綠光在手腕處提供最佳結果,而紅光和紅外光一般用於手指測量。

血流量的測量依據的是血液中血紅素吸收光線的能力(圖2)。感測器由彼此緊鄰放置的光源和檢測器組成,測量時需直接放在皮膚上。發出的光滲透進皮膚、組織和血管,然後被吸收、傳送以及反射。檢測器記錄的反射光強度將根據流經動脈的血流量變化而改變(圖3)。針對這種測量的適用波長取決於在人體的哪一部分進行測量。綠光可以在手腕處提供最佳結果,而紅光和紅外光一般用於手指頭的測量。

圖3:PPG測量中檢測器訊號的產生。
圖3:PPG測量中檢測器訊號的產生。照射皮膚的光線(I0)被靜脈或動脈血液吸收,或反射回檢測器。訊號的變化組成與心跳同步變化的動脈血流量一致。這個訊號的變化週期指示了脈搏率。最小和最大檢測器訊號的比值(光電流Imin/Imax)為判斷血氧濃度提供了依據。

如果用紅外光和紅光測量吸收率,就可以確定動脈血液中的血氧濃度。這種方法被稱為脈搏血氧計,是確定血氧濃度的唯一非侵入式方法,換句話說,也是唯一不需要抽血的方法。脈搏血氧計的依據是:血液中氧氣濃度不同,吸收的光量也不同。氧氣在血液中是透過血紅素(Hb)輸送的。Hb與氧分子結合後會形成氧合血紅素(HbO2),其吸收性能也會發生改變(圖4)。血液中兩種血紅素(cHbO2和cHb)的濃度指示了血氧濃度SpO2:SpO2= cHbO2/(cHbO2+cHb)。

在受照射介質中光線吸收物質的濃度是光線吸收率的函數。在PPG測量中,使用兩種不同波長的光獲得可靠的cHbO2和cHb指示。波長為660nm(nm)的紅光和波長為940nm的紅外光非常適合這種應用,因為兩種血紅素(Hb和HbO2)對這兩種光線具有差異最大的吸收性能(圖4)。為了判斷動脈中的血氧濃度,我們必須看看脈衝訊號組成的吸收情況(圖3)。血氧濃度(SpO2)可以表示為相關波長條件下最小與最大檢測器訊號(Imin和Imax)比值的函數。

圖4:血液中的血色素——血紅素(Hb)
圖4:血液中的血色素——血紅素(Hb)的光線吸收性能在與氧分子結合時(氧合血紅素或HbO2)會發生改變。血氧濃度可以透過使用紅光和紅外光的PPG測量方法加以確定。

隨著薄膜晶片技術的發展,使得生產具有約30nm窄頻譜頻寬的高效率LED成為可能。這種技術還確保了更高的系統效率,因為薄膜LED幾乎是從頂部發射全部的光線,因此基本上所有光線都可以充分加以利用。雖然在測量過程中晶片溫度會升高,但在設計時仍必須確保波長在整個測量中保持穩定。LED除了具有良好的熱穩定性外,短脈衝也是保持波長穩定的一種好方法。小於0.3ms的脈衝長度、重複率約2ms的脈衝是比較理想的。波長的選擇取決於計劃進行的測量要求。對於戴在手腕上的感測器來說,最好使用波長約530nm的綠光LED;手指感測器則通常使用紅色光線(660nm)或紅外線(940nm)。LED有多種版本,因此可以適合不同的設計和應用。脈搏感測器利用一種波長就足夠了,而測量血氧濃度通常要交替使用紅光和紅外線。

對於檢測器而言,關鍵要求包括具備高線性度、卓越的靈敏度以及良好的訊噪比。在測量血氧值時線性度尤其重要,因為必須非常精確地測量絕對光電流值Imin和Imax。具有低暗電流的大面積光電二極體十分適用,例如SFH 2400或帶環境光濾波器的SFH 2430。光電二極體還提供快速開關時間,因此可以確定所需的短LED脈衝。

整合的感測器(如SFH 7050)則是一種緊緻精巧的解決方案。這種多晶片感測器包含了3個LED和1個光電二極體,是專為可穿戴式裝置和智慧型手機中的脈搏和血氧濃度測量而設計的。高效率LED採用薄膜技術製造,具有綠光(530nm)、紅光(660nm)與紅外線(940nm)的窄發射頻寬,因而可支援手腕處的脈搏率測量和手指頭上的血氧濃度測量。整合的光線阻障層能夠有效地防止光線從LED串擾到光電二極體。根據具體的應用,3個LED可以單獨工作,也可以分別加以控制。

圖5:整合的SFH 7050感測器
圖5:整合的SFH 7050感測器專為可穿戴式與智慧型手機的PPG和脈搏血氧測量應用設計。

SFH 7050的紅外線LED也可以與接收器組合在一起作為近接感測器,可在感測器接觸或移開皮膚時自動開始或停止測量。目前市場上已經有針對醫療應用的PPG和脈搏血氧測量晶片組了,可用於控制LED和數位化檢測器訊號。德州儀器(TI)公司的TI AFE 4403就是一個具有極佳數位化解析度(22位元)的好例子。

感測器設計

與所有感測器一樣,在針對脈搏率和血氧濃度測量設計光學感測器時,訊號品質是最重要的考慮因素之一。完整的檢測器訊號包括一個非常大的?定(直流)部份以及一個小的可變(交流)部份——與脈衝動脈血液一致(圖3)。例如,在淺色皮膚的人手腕上用波長為530nm、電流為8mA的LED進行測量,將產生約0.00035的AC/DC比。而對於一個深色皮膚的人來說,這個值就比較低,但在手指頭上測量卻可能高出約10倍。這個極小的AC訊號儘管只是完整訊號的一小部份,仍對於數位化過程帶來挑戰——特別是必須測量血氧值時。

在這種情況下,必須對整個訊號進行數位化處理,以便使AC部份的解析度及其最大值與最小值(Imin和Imax)都達到非常高的程度。在實際使用中,這意味著整體訊號要求至少16位元的解析度。如果只需測量心率,那麼只需考慮訊號的週期性變化,訊號絕對值則可以忽略不計。在這種情況下,?定部份可以用導通濾波器加以抑制,其餘的AC部份經放大後用於AC/DC轉換器。光電流的最小值和最大值要取得高的解析度,緊靠著皮膚測量也很重要。典型的取樣速率大約在每通道25Hz和500Hz之間,LED脈衝長度則在0.5ms至5ms範圍內。

另外一個因素是環境光線。即使感測器正確放置在皮膚上,環境光線也可能到達接收器,因為紅外光能夠透進皮膚深層,並在內部發散。環境光將對訊噪比產生負面影響,因此必須盡可能地加以抑制,例如透過感測器與身體之間的良好接觸,或透過檢測器上專用的環境光濾波器。這種濾波器可將檢測器的最大靈敏度從紅外光線譜轉換成可見光譜,例如在使用光電二極體SFH 2430情況下轉換到570nm,因此也非常適合綠光LED使用。用於消除檢測器訊號中環境光效應的一個常用方法是在有LED和沒有LED情況下各進行一次測量,然後取得兩個訊號的差。例如TI AFE 4403晶片組還能為此目的發射合適的暗點訊號。

結語

隨著量化自我運動的持續發展,用於醫療應用的光學感測器開始滲透進消費電子領域,特別是健身手環、智慧手錶和智慧型手機。這可歸功於具有優質頻譜純度的高效率LED。在這個持續成長中的市場,用於測量脈搏率和血氧濃度的整合型光學感測器正象徵著技術的更進一步發展。

(參考原文:LED-based sensors for wearable fitness trackers,by Joerg Heerlein & Tilman Ruegheimer)





投票數:   加入我的最愛
我來評論 - 為穿戴式健身裝置設計LED感測器
評論:  
*  您還能輸入[0]個字
*驗證碼:
 
論壇熱門主題 熱門下載
 •   將邁入40歲的你...存款多少了  •  深入電容觸控技術就從這個問題開始
 •  我有一個數位電源的專利...  •  磷酸鋰鐵電池一問
 •   關於設備商公司的工程師(廠商)薪資前景  •  計算諧振轉換器的同步整流MOSFET功耗損失
 •   Touch sensor & MEMS controller  •  針對智慧電表PLC通訊應用的線路驅動器
 •   下週 深圳 llC 2012 關於PCB免費工具的研討會  •  邏輯閘的應用


EE人生人氣排行
 
返回頁首