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摘要：心率监测能够帮助人们时刻关注身体健康，根据心率变化调整运动计划，分析睡眠质量及时发现身体潜在疾病，而在多种测量心率的方式中，利用随身携带的光电传感器测量是最为便捷的一种。光电传感器因其微尺寸、高集成、低功耗、深灵敏、快响应等优点被集成在各种可穿戴设备中，实时监测心率等生理量，为生活带来了极大便利。本文从光电效应与光电传感器性能入手，阐述了光电传感器监测心率的原理，对光电传感器在心率监测中的应用进行了分析。
关键词：光电传感器；心率监测；心率传感器；PPG
1 引言
世界卫生组织公布，世界上75%的人群处于亚健康状态，现代快节奏的生活加上缺乏合理运动，全球心脑血管类疾病是导致人体死亡的元凶之一。心率是评估人体生命活动和身体健康与否的重要指标之一，可以反映人体健康状况的方方面面。如果人们能够准确快速掌握自己的变化心率，对于预防疾病的发生意义深远。利用可穿戴设备中的光电传感器可有效监测心率，通过整体心率跟踪，可以对使用者的生理数据进行分析，在不良健康问题出现之前，检测出亚健康状况并适当调整生活方式。在运动健康领域，光电传感器对心率全天候实时监测、有效管理心率是可穿戴设备在健康和健身方面的关键需求，可以保证运动健身的安全和质量。
2 光电效应及光电传感器
2.1光电效应
当特定的光电材料被超过某一极限值光辐照后，核外电子在光激发下克服原子核约束，逃逸出来，形成电流，这类光生电现象统称为光电效应。光电效应产生的电流，被光电子数量所局限，存在一个最大极限值即饱和电流。饱和电流是由一定功率和强度辐照的最大光电流，它与辐照光强成正比。光电效应的理论可以简单地理解为：光照强度越大，所激发的饱和电流值越大，光电传感器的读数值越大。[1]
2.2光电传感器的概述
在工程应用中，许多物理量都可以以特定的方式转化为光的变化。当物体被可见光辐照，被测物体之间的速度、加速度、形状、位移、振动、光强、光照、温度、直径、粗糙度、距离、成分和状态等改变量被转换成可变光信号，然后由光电传感器转换成电信号最后输出。光电传感器由发射机、接收机和电路组成。光电传感器（其电路如图1所示）通过半导体光源向目标物体持续发射光束，然后由光元件过滤出有效信号。发射机的标准透镜将光线聚焦在接收器上，接收机通过电缆接收有效信号到真空管放大器并对此做出响应。光电传感器装置中的光线偏转机构可以将光轴范围之间的发射角从0改变到25，反射光束后，形成传输线并沿直线返回。
图1 光电传感器示意图
3 光电传感器在心率监测中的应用
3.1光电传感器心率测量方式
目前有四种主要的心率测量手段，分别是：（1）动脉血压法。心脏的收缩与舒张，在心跳的周期中，血液对于血管的侧压力导致血管壁搏动也呈现周期性变化，当舒张压高于收缩压时，心率增加；反之心率减慢。压力传感器就是利用动脉有规律的涨落的信号测量心率，常用的血压测量仪就是根据此原理。（2）心电信号法。人体心电信号是身体的低频生理信号。心脏周期性泵血使人体组织和体液产生周期性生物电，通过安放在皮肤表面的电极，可以测量到扩散在身体表面的电信号。医疗上用这种方式来进行心电图测量。（3）血氧法。由于血液中含氧红细胞与不含氧的红细胞对波长为600nm可见红光和波长为900nm红外线的吸收率不同，伴随着血液中的含氧量随着心脏泵血的周期性变化，这种变化与心率变化一致。传统医用听诊器就是利用血氧法。监护仪、胎心仪是利用血氧法与超声多普勒原理相结合在临床上应用。（4）血液浓度测量法。这是利用光电手段检测人体中血液容积变化的方法，也就是光电传感器测量的主要形式。目前市面上的大多数手环、手表都是利用这一原理来检测心率。
3.2光电传感器监测心率原理
由材料科学定理可知，液体在某一波长处的吸光度与它的浓度成正比，浓度越高，吸光度越多。每当心脏跳动时，随着血管中的红细胞浓度升高，血压升高，血液颜色加深。光照射皮肤，血液浓度的变化引发光电效应在不同时段的显著差异，而这一差异被传感器检测到，进而可供分析心率。[2]而在实际应用中，为了达到更高的精度和适应性，检测心率的任务是由LED绿光和红外光两个光电传感器完成的。当温度低于15摄氏度时,可以测量绿光的吸收，获得精准的心率数据。但是当用户在剧烈运动时，其皮肤表层也会吸收大量绿光，这使得很难反射绿光，所以此时利用红外光监测心率。[3]
目前比较流行以Apple Watch为代表的产品采用光电容积脉搏波描记法（简称PPG）法记录心率。设备内置的光电脉搏波信号测量传感器测量人的血压、锻炼时间、卡路里消耗、行走距离等，可以更好帮助人们锻炼。Apple Watch手表可以通过每秒几百次闪烁的LED灯来计算佩戴者每分钟的心跳速率，Apple Watch手表心率传感器可以通过增加LED的亮度和采样率来补偿微弱信号。光电压力传感器利用心肌收缩转化为电信号来检测心率，医院使用的心电图适用于静息的人。振动式测量，利用高精度传感器采集人体振动引起的心跳,通过信号处理获得心率，大多数智能垫或按摩师采用这种测量方法。
3.3光电传感器在心率监测中应用
光电传感器在心率监测中应用范围广泛，其中以智能手表、智能手环、蓝牙耳机、智能手机、随身医疗等便携设备领域最为流行。[4]代表的典型是Mio Alpha，其使用的是双光束光电传感器，利用光电直测式心率技术，所得用户心率数据的准确性和平滑度基本一致；目前市面上的Apple Watch，Mio Alpha，Fitbit Charge HR，小米手环光感版等都是PPG法测量心率；许多耳机的音腔里内置了心率传感器，通过检测耳廓处毛细血管的吸光量计算心率；另外，心率带在运动中持续测量心率，超出心率区间会有蜂鸣提示，方便提醒运动者心率是否超标或者过低；指尖和耳垂是人体中最薄部位，适合采用光电容积中的透射方式手指夹式测心率和耳机测试心率来测量心率；此外还有臂带式、头盔式心率监测设备，网络传感技术使得心率传感器的数据可以传输到各个终端（图2）。此外，光电心率传感器也可用于救生，如危险发生，可以通过数据知晓被困员工是否有生命体征，对于矿难、地震等发生的搜救提供了重要数据。
图2 心率传感器的网络工作模式
3.4光电传感器心率检测缺陷
虽然光电传感器在精密度、便携性等方面有着无与伦比的优势，但是其也存在很多待解决的问题。主要有以下几点：
（1）由于光线的干扰，心脏舒张压缩的真实值很难从近似生理性质的脉动信号中分离出来，目前欠缺将生物信号从各种干扰中完全分离出来的技术；（2）每一种肤色有不同的吸光图谱，深色皮肤比浅色皮肤吸收绿光多，导致纹身部位的测量的准确度降低，造成因皮肤深浅对光电传感器的读数产生误差；（3）在运动和跑步期间的步伐频率时，步伐频率与心率会出现相似情况，光电传感器误将人的步伐率解读成心率，致使心率监测错误；（4）光电传感器在人体的不同部位，因皮肤的厚薄不同，心率监测的准确度不同，手腕式精确度最低，胳膊的上臂及下臂次之，耳朵只有软骨和毛细血管，运动中对它产生的影响很小，所以耳塞式光电传感器精度最高，其他部位的传感器则需要进一步研究其精度提高方式；（5）由于血液循环的快慢，对心率监测也有影响，所以肥胖、糖尿病、心脏病、动脉疾病造成血液循环过缓，影响了光电传感器对心率的监测准确度；（6）运动腕表设计中压力传感器在穿戴者皮肤表面固定太紧会导致血流不畅，固定太松无法实现准确测量。当人大汗淋漓时，也会影响传感器所得数据的准确性。[5]
4结束语
光电心率传感器的发展已进入一个新的时代，微型光电心率传感器可嵌入衣物和床上用品中，可自动测定使用者的心率、血压、呼吸量等数据，还可分析出使用者的睡眠质量。移动健康传感器跟踪心率、血压、血糖水平，服药情况和其他健康数据，通过内置于手表或者其他移动设备中，通过蓝牙、WIFI或者USB等方式与相应的应用程序对接，能够及时发现危险信号，在人们病情恶化之前采取适当的治疗措施。可以预见的是，光电心率传感器将成为家庭私人专业心电医生，可以实现快速化心电分析和诊断，提升诊断水平，满足人们对健康的追求。
参考文献
[1]郝向泽, 何旭鹏, 邹翌,等. 基于光电传感器的精密播种机排种性能监测系统的研究[J]. 华南农业大学学报, 2017, 38(1):120-124.
[2]姚峥嵘, 江河, 胡铭, 等. 智能可穿戴设备的功能创新及用户体验创新——以Shadow智能运动衣为例[J]. 科技经济导刊, 2018(17).
[3]郝伟杰, 高军燕. 浅谈智能终端对移动互联网发展的影响[J]. 延安大学学报(自然科学版), 2012, 31(3):61-63.
[4]张永磊, 杨鹏, 党鸿,等. 红外光电传感器应用于雾化消毒领域中的可行性研究[J]. 黑龙江畜牧兽医, 2017(7):139-142.
[5]赵志勇, 李涵, 陈东月,等. 一种基于反射式光电传感器的智能心率腕表[J]. 无线互联科技, 2014(5):181-182.
论文作者:刘智超
论文发表刊物:《科技新时代》2018年11期
论文发表时间:2019/1/14
标签：心率论文; 传感器论文; 光电论文; 测量论文; 光电效应论文; 信号论文; 数据论文; 《科技新时代》2018年11期论文;