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感測器/MEMS  

為智慧手錶許一個心跳

上網時間: 2016年04月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:智慧手錶  ADPD103  光度測定前端IC  HRV  PPG 

作者:Jan-Hein Broeders,ADI歐洲分公司健康照護事業發展經理

40年前當我拿到生平第一支手錶,我需要上發條讓機械彈簧有動力而使手錶持續運轉。過了沒幾年,數位手錶問世了,它只要一個硬幣大小的電池就可以使它持續運作至少一年。時至今日,我們正為穿戴式腕錶裝置(因為你再也不能只當它是「手錶」了)載入許多感測器,使其成為一個智慧系統。這些穿戴式腕錶裝置成為人體與智慧型手機的介面,可以擷取生命徵象與環境參數來監控您每天的健康狀況,並測量您的運動與活動表現。它可以量測如心率、體溫、運動與活動、血氧濃度等各種參數。所有記錄的數據最終還可以上傳到雲端進行分析,讓您在需要之處調整行為。

然而,當裝置上加入越來越多的感測器,電池壽命也會因此降低。因為我們不希望為了裝載更大的電池而增加裝置的尺寸,或者更頻繁地為裝置充電,感測器公司開始開發更高效的智慧感測器和感測器前端。這些裝置可在不至於降低測量參數的性能下減少整體功耗。例如Analog Devices公司(ADI)開發的感測器和感測器前端,能夠解決上述問題;其ADPD103光度測定前端IC是專為新興的穿戴式健康監控市場而開發的。

心率監測與分析心臟系統的表現正齊頭並進。因此,心率是必須監測的最重要健康參數之一。由於可從心律和心律變動分析(HRV)得到顯著的訊息量,我們已不只對每分鐘的心跳數感興趣了。根據運動的程度,心律雖然會有些微變化,但或多或少都應該會是一個恆定的常數。心率的些微變化可以被解讀成情緒激動和壓力。這項參數可應用於睡眠研究等。快速變化的心律也不是件好事,因為這可能是心臟疾病(如心房纖維顫動)的徵兆。

監測心率和心臟活動一般是以生醫電訊號進行測量。電極被連接到身體,例如連接於胸帶,以便測量心臟組織的電性活動。由於這種測量方式需要在心臟的每一側進行電性連接,所以很難整合於腕戴式裝置中。

在腕戴式裝置中整合心率單點測量,就能透過一種稱為光學式心跳量測(photoplethysmography;PPG)的光學測量原理來實現。這種技術可將光注入組織表面,在該處經紅血球吸收並充份反射後,再利用光感測器進行測量。在一次心跳的時間內,血流與血壓變化將會導致光的量變。當光感測器偵測到反射光時,心率就被記錄為反射光的函數。

機械設計的權衡

在設計光學式心率監測器時有幾件事需要考慮。在光學方面,我們可以採用透射或反射來測量。最好的方式是讓光傳輸穿過身體的某個部位,然後在其另一側接收。例如手指就是個很好的位置,光可以從一側發送,並在另一側測量。傳輸測量的訊號強度約為30dB,也比使用反射技術測量方法來的好。然而,由於傳輸測量通常是很難從機械方面加以整合,反射測量就成為一種較為常見的原則。

用於人體腕戴式裝置的反射測量,手腕是進行測量最明顯的位置,同時也最具挑戰性。手腕上側骨頭只有有限的動脈和微血管,使其難以擷取一個正確的接收訊號。在一般情況下,對腕戴式裝置來說,當動脈不位於手腕上面時,就必須從組織表面下擷取微血管的脈流量。對此使用案例來說,綠光波長在500至550奈米之間是最有效的,因為它不會太深入穿透進身體組織,但能被血紅素高度吸收,導致大的搏動性血量訊號。在穩定的血流量位置,例如上臂、太陽穴或耳垂測量時,建議用紅光或紅外光的接收訊號較好,而且能更深入穿透組織,透過探測較大的血流量提供最佳的讀數。

接下來是選擇傳輸波長的重要性,光源位置對於光感測器來說是重要的。當發光二極體(LED)放置離光感測器太近時,光源就沒有機會傳導通過身體組織而達到適當的吸收程度。光源到達光感測器卻未能穿透組織,甚至還可能導致輸入飽和。這可能是感測器和組織之間具有防護裝置(protection window)的結果。通常這被稱作內部光污染(ILP),可能導致直流偏置(DC offset)和較差的交流調變(AC modulation)。由於光的衰減與距離呈指數關係,LED位置離光感測器太遠將導致接收訊號微弱。從功率的觀點來看這並不理想,接收訊號的電平較功率消耗量更小。

(下一頁繼續:對比度:數位內容與真實世界視覺融合關鍵)


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