耳塞式光学心率测量

传感器技术的进步改变了人们诊断其生命体征和健康的方式与地点。便携式非侵入测量技术可以在我们的日常生活中进行快速简单的测量。不过，尽管这种诊断技术在健身行业中已经非常流行，但其精度有限，这个问题直到最近才被解决。

健身追踪器可以测量心率和其他生命体征以帮助用户设定日常锻炼活动。健身追踪器通常内置运动传感器，可以检测运动模式以帮助区分步行、跑步与游泳，因此它也可以用作计步器。为在日常生活中提供舒适和便利，测量通常在手腕上进行，因为传感器可以放置在手表、珠宝和腕带等配饰中。但是，此位置对测量质量而言并非最佳。心率检测会受到运动伪像的限制而难以进行，因为肌肉质量相对较大，会限制与动脉的接触。

相比之下，耳朵更适合进行光学心率测量。耳垂已被医学专家用于测量血氧水平。但到目前为止，这尚未在消费者层面上得到充分利用，因为基于耳朵的测量设备受空间限制，并且功耗非常高，需要大电池。但随着高集成度、更低功耗芯片的推出，ADI公司已开发出解决这些问题的解决方案。现在可以将有效运作的生命体征测量器件集成到典型的入耳式耳机中。响应度的改进开辟了全新的应用领域和可能性。本文介绍并评估了该系统。

基础测量方法是光学性的。测量使用来自最多三个LED的短脉冲信号。LED电流最高可达370 mA，最小脉冲宽度为1μs。LED的最佳波长根据测量位置和测量方法来选择。手腕上只能测量表面动脉，故而选择绿光，耳朵则不同，可以使用红外光，从而获得更大的穿透深度和更高的SNR。光电二极管（其探测面积与其响应度直接相关）用于测量反射光。因此，它会同时测量信号和背景噪声。下游模拟前端提供更高的SNR。它用作信号滤波器，将检测到的电流转换为电压，进而转换为数字形式。除反射测量外，算法还包括用于通过加速度计滤除运动伪像的校正。

组成测量系统的器件说明如下。ADI公司的ADPD144RI芯片用作模拟前端，它还集成了光电二极管和LED。测量由三轴加速度计提供支持，该三轴加速度计不仅用于识别步态和运动，还用于去除伪像。本例中使用ADXL362。整个过程由ADuCM3029微控制器控制，该微控制器用作各种传感器的接口并包含算法。