[经验]

PPG的工作原理

2019-9-18 09:05:15

8177 PPG 智能穿戴

隨著智慧型穿戴裝置普及，智能穿戴設備應運而生智能手環、智能手錶已經是每個人的基本配件，普通的步數紀錄、行事曆、時間、久坐提醒、鬧鐘等等都是常規應用，目前為了知道自己的健康狀況都會再加入心率檢測功能、呼吸訓練、動態心率量測等等，但如何透過一個方便的裝置來獲得有關身體健康的資訊，這些心律功能是怎麼被量測反映出心率變化呢?

首先我們來了解原理：心率檢測是利用光電感測元件吸收光線能量的原理，紀錄光線於血管中受血液流動的變化而偵測出來的信號。血流速伴隨心臟的搏動而產生變化，光電感測元件會隨著血液量血管的收縮和擴張的變化使得感測器產生明暗的變化量或是光的反射量，而目前業界有兩類感測器可用來呈現，一、是光電二級體感測器(Photodiode Sensor 圖一所示)，二、是互補性氧化金屬半導體傳感器(CMOS Sensor圖二所示) ，皆可用來量測皮下組織血液變化：

圖1：Photodiode Sensor (Reference：TCRT1000)

圖2：CMOS sensor (Reference：PixArt Imaging PAH8011ET - Ultra Low Power Optical Heart Rate Detection PPG Sensor)

這兩類PPG光電感測器為了獲得該血流變化，必須利用LED照射進人體皮膚，然後用光電容積脈波(PPG)測量血流引起的反射光強度變化，PPG訊號的週期性與心臟節奏相對應得出來的結果是否夠明顯，足以讓後端演算可以清楚的判斷正確的心率趨勢，而不是一些環境光或是生理訊號中的雜訊，所以會在IC表面鍍膜隔絕環境光或者在感測器輸出端多一道數位Filter，以目前看來Pixart PAH8011ET Heart Rate Detection Sensor兩道工法都有加入，所以CMOS的PI(Perfusion Index)會比Photodiode來的清晰，更容易判讀出心律的變化量。

不論Photodiode Sensor或是CMOS sensor基本電路工作流程圖：

心率監測主要是測量平均心率，通常以每分鐘的心跳次數表示，當我們把光轉換成電信號時(圖3)，是由於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信號檢測組織、骨骼和肌肉反射的光訊號，以及動脈和靜脈血液的平均血容量，交流AC信號表示心動週期的收縮期和舒張期之間發生的血容量變化。提取其中的AC信號，就能反應出血液流動的特點。

圖3：光信號轉換電位信號PI = AC component of PPG signal/DC component of PPG signal。(Note: PI, Perfusion Index)

基於PAH8011ET心率演算法結果，在資料開始時，測試物件被要求靜止，並同步比對心率是否與(ECG)的3bpm和5bpm精度範圍內，另外驗證在週期性運動(如日常生活動作、步行、跑步)時的演算法性能(圖4)。若任一資料經運動檢測後因配戴不夠緊密或者訊號不夠清晰被視為不可靠而遭到拒絕，若是規律性運動而精確信任度大於3者後估算得到的心率，則認為該演算法結果是成功被允許的。在內部有使用1596 bytes SRAM當作緩衝資料，對於測量範圍(30bpm至240bpm)可涵蓋多數人的使用，若PAH8011ET(圖5)搭配使用Printing Cover功耗最低可到90uA，可以有效解決長照應用待機時功耗問題。

圖4：PAH8011ET所吐出的原始資料

圖5：PAH8011ET 開發版(Reference：https://os.mbed.com/teams/PixArt/code/PixArt_PAH8011_HeartRate_NUCLEO-L476RG/file/dafeae8d92bf/pixart_heart_rate_demo.lib/)