光學(xué)傳感器原理圖：光學(xué)傳感器的工作原理
原標(biāo)題：光學(xué)傳感器的工作原理
光學(xué)傳感器主要包括激光、紅外光、光照、可見光和圖像傳感器，它利用一些固有的光的特性，快速發(fā)展傳感技術(shù)。例如，激光的外觀，使無線電和光學(xué)技術(shù)的跨越式發(fā)展，相互滲透，相互補(bǔ)充。
現(xiàn)在，使用激光已經(jīng)取得了很多的傳感器，解決了許多以前的技術(shù)問題不能解決的問題，使它適用于煤炭、石油、天然氣儲存等危險、易燃的地方。光纖傳感器是有用的激光制成的能源參數(shù)測量的原油，油注入罐開裂。在試驗現(xiàn)場，無電源、防爆措施要求非常嚴(yán)格的石化設(shè)備組特別適用于化工、遙測技術(shù)也可用于實現(xiàn)光學(xué)方法在某大型鋼鐵廠的某些方面。*
原理：發(fā)光二極管的光采樣表面，強(qiáng)烈的對比，采樣圖像通過鏡頭的CMOS成像，CMOS光學(xué)圖像矩陣信號傳輸給DSP，DSP將圖像信號并存儲在一個圖像的采樣周期，然后將信號發(fā)送到接口位移距離電路。接口電路為信號處理器所發(fā)送的位移信號的積分處理，只對計算機(jī)內(nèi)部的位移信號，然后通過驅(qū)動器的進(jìn)一步處理，最終形成光標(biāo)在系統(tǒng)中的位移。返回搜狐，查看更多
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光學(xué)傳感器原理圖：光學(xué)心率傳感器工作原理
不少業(yè)內(nèi)人士都認(rèn)為未來可穿戴智能手表、手環(huán)需要向著更加專業(yè)化和細(xì)分化的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，其中針對運(yùn)動人群和健康檢測就是兩個很好的方向。那么我們不妨通過Apple Watch來了解一下光學(xué)心率監(jiān)測的原理。
本文引用地址： watch心率監(jiān)測
心率監(jiān)測可以說是Apple Watch最具革命性的一大功能，它究竟是如何實現(xiàn)的？Apple Watch利用LED綠光和紅外光，以及兩種光傳感器來檢測心率。當(dāng)其處于15攝氏度（59華氏度）以下的低溫時，通過測量綠光的吸收狀況來獲取更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。而高溫環(huán)境下，比如用戶正在健身房里揮汗如雨時，皮膚表面水分增加，由于更多綠光已經(jīng)被吸收掉，要檢測皮下反射的綠光就比較困難，這時Apple Watch就轉(zhuǎn)換到紅外光模式。
這種用于血流檢測的光學(xué)技術(shù)，專業(yè)上稱為“光電容積脈搏波描記法（photoplethysmography）”，簡稱PPG。
光電容積脈搏波描記法PPG
就AppleWatch來說，測量心率時底部的表盤會發(fā)出綠色的燈光，并且測量的時候手腕最好保持不動否側(cè)會影響測量結(jié)果。接下來將詳細(xì)介紹光學(xué)心率測量的原理。
如下兩張圖是光學(xué)心率傳感器。圖a是LED沒有發(fā)光的時候中間是一個光敏二極管，圖b是傳感器的LED發(fā)光的時候。
圖a 圖b
那么為什么通過LED燈發(fā)光就能測量心率呢？
當(dāng)LED光射向皮膚，透過皮膚組織反射回的光被光敏傳感器接受并轉(zhuǎn)換成電信號再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，簡化過程：光---> 電 ---> 數(shù)字信號
為什么大多數(shù)傳感器都是采用的綠光呢？
我們先看看光譜的特點，從紫外線到紅外線的波長是越來越長的。
之所以選擇綠光作為光源是考慮到一下·幾個特點：
1. 皮膚的黑色素會吸收大量波長較短的波
2. 皮膚上的水份也會吸收大量的UV和IR部分的光
3. 進(jìn)入皮膚組織的綠光（500nm）-- 黃光（600nm）大部分會被紅細(xì)胞吸收
4. 紅光和接近IR的光相比其他波長的光更容易穿過皮膚組織
5. 血液要比其他組織吸收更多的光
6. 相比紅光，綠（綠-黃）光能被氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收
總體來說，綠光-- 紅光能作為測量光源。早起多數(shù)采用紅光為光源，隨著進(jìn)一步的研究和對比，綠光作為光源得到的信號更好，信噪比也比其他光源好些，所以現(xiàn)在大部分穿戴設(shè)備采用綠光為光源。但是考慮到皮膚情況的不用（膚色、汗水），高端產(chǎn)品會根據(jù)情況自動使用換綠光、紅光和IR多種光源。
雖然知道了上面的幾個特點，但是還不足以弄清楚為什么通過光照就能測出心率、血氧等參數(shù)呢？
下圖就解釋了核心原理
當(dāng)光照透過皮膚組織然后再反射到光敏傳感器時光照有一定的衰減的。像肌肉、骨骼、靜脈和其他連接組織等等對光的吸收是基本不變的（前提是測量部位沒有大幅度的運(yùn)動），但是血液不同，由于動脈里有血液的流動，那么對光的吸收自然也有所變化。當(dāng)我們把光轉(zhuǎn)換成電信號時，正是由于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信號和交流AC信號。提取其中的AC信號，就能反應(yīng)出血液流動的特點。我們把這種技術(shù)叫做光電容積脈搏波描記法PPG。
文章參考Richard_LiuJH的博客
光學(xué)傳感器原理圖：光學(xué)心率傳感器工作原理_1
光學(xué)心率測量原理
原博地址
簡介：
? ? ? 在這個什么都要和“智能”串聯(lián)的年代，除了我們司空見款的手機(jī)外也就是一些智能手表和手環(huán)之類的穿戴設(shè)備了。這些智能穿戴設(shè)備集成了很多的傳感器，由于脈搏或者心率是生命體征的重要參數(shù)之一，所以心率率測量可算是高端入門產(chǎn)品必備的一個技能，正好最近有機(jī)會好好研究心率測量的技術(shù)，所以趁熱打鐵總結(jié)一下光學(xué)測量心率的相關(guān)知識。
? ? ? 在網(wǎng)上搜集了很多資料，目前心率測量有以下幾種傳感器技術(shù)（僅供參考）
1. 心電ECG
2. 光電容積脈搏波描記法PPG?
3. 生物阻抗 bioimpedance
4. 攝像頭Camera RGB 、wifi等技術(shù)
? ? ? 在上述的幾種方法中，最被人們熟悉的應(yīng)該就是心電圖。在醫(yī)療領(lǐng)域，通常使用心電圖（ECG）測量生理電信號來實現(xiàn)心率和心臟活動的檢測。但是由于測量ECG信號，常常要在身體多個部位連接傳感器電極，在胸部和四肢之間最多可以連接10個電極。ECG信號雖然精準(zhǔn)并且信息豐富，但是考慮到穿戴設(shè)備的便攜性和功能簡單所以并沒有在穿戴設(shè)備上廣泛采用ECG技術(shù)。目前情況ECG還是在一些專業(yè)領(lǐng)域里面使用例如醫(yī)院、體育等方面的研究。
? ? ? 第二種光電容積脈搏波描記法，這個名字讀起來實在是高端，其實說簡單點就是利用光測量脈搏的一種技術(shù)。這種技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用，本文也是主要介紹這種技術(shù)。
目前市場上能看到采用這種技術(shù)的穿戴設(shè)備就有：AppleWatch、三星 Galaxy Gear S2、Moto 360、Microsoft Band 等....（其他廠家就省略了）。
? ? ? 第三種生物阻抗傳感器測量方法，目前市場上看到的好像只有Jawbone 的UP3了， 對于此技術(shù)網(wǎng)上的資料特別的少。不過通過親身體驗試戴JawboneUP3，感覺這種技術(shù)應(yīng)該比光學(xué)測心率的技術(shù)難度大但是應(yīng)該更精準(zhǔn)更可靠。最后的Camera RGB和wifi都是是MIT研究出來的新技術(shù)，看起來都非常高端，MIT威武啊。其中一個是通過我們手機(jī)的攝像頭就能檢測出人體的體征變化，這個技術(shù)非常有意思并且也很高端，感興趣的可以看視頻介紹。另一個則是通過我們家里的wifi信號就能測，也甚是高端。當(dāng)然這兩種還沒有看到上市的產(chǎn)品所以就不多說了。
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光電容積脈搏波描記法PPG?
? ? ?光學(xué)心率傳感器，如果帶過上述那些智能手表或者智能手環(huán)的朋友來說也不算稀奇的事情。就拿AppleWatch來說，測量心率時底部的表盤會發(fā)出綠色的燈光，并且測量的時候手腕最好保持不動否側(cè)會影響測量結(jié)果。接下來將詳細(xì)介紹光學(xué)心率測量的原理。
? ? ? 如下兩張圖是光學(xué)心率傳感器。圖a是LED沒有發(fā)光的時候中間是一個光敏二極管，圖b是傳感器的LED發(fā)光的時候。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
圖a ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖b
? ? ? ? 那么為什么通過LED燈發(fā)光就能測量心率呢？
? ? ? ? 當(dāng)LED光射向皮膚，透過皮膚組織反射回的光被光敏傳感器接受并轉(zhuǎn)換成電信號再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，簡化過程：光--> 電 --> 數(shù)字信號
? ? ? ? 為什么大多數(shù)傳感器都是采用的綠光呢？
我們先看看光譜的特點，從紫外線到紅外線的波長是越來越長的。
? ? ?之所以選擇綠光作為光源是考慮到一下·幾個特點：
? ? ? ?1. 皮膚的黑色素會吸收大量波長較短的波
? ? ? ?2. 皮膚上的水份也會吸收大量的UV和IR部分的光
? ? ? ?3. 進(jìn)入皮膚組織的綠光(500nm)-- 黃光(600nm)大部分會被紅細(xì)胞吸收
? ? ? ?4. 紅光和接近IR的光相比其他波長的光更容易穿過皮膚組織
? ? ? ?5. 血液要比其他組織吸收更多的光
? ? ? ?6. 相比紅光，綠（綠-黃）光能被氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收
? ? ? 總體來說，綠光-- 紅光能作為測量光源。早起多數(shù)采用紅光為光源，隨著進(jìn)一步的研究和對比，綠光作為光源得到的信號更好，信噪比也比其他光源好些，所以現(xiàn)在大部分穿戴設(shè)備采用綠光為光源。但是考慮到皮膚情況的不用（膚色、汗水），高端產(chǎn)品會根據(jù)情況自動使用換綠光、紅光和IR多種光源。
雖然知道了上面的幾個特點，但是還不足以弄清楚為什么通過光照就能測出心率、血氧等參數(shù)呢？
? ? ?下圖就解釋了核心原理
? ? ? ? ?當(dāng)光照透過皮膚組織然后再反射到光敏傳感器時光照有一定的衰減的。像肌肉、骨骼、靜脈和其他連接組織等等對光的吸收是基本不變的（前提是測量部位沒有大幅度的運(yùn)動），但是血液不同，由于動脈里有血液的流動，那么對光的吸收自然也有所變化。當(dāng)我們把光轉(zhuǎn)換成電信號時，正是由于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信號和交流AC信號。提取其中的AC信號，就能反應(yīng)出血液流動的特點。我們把這種技術(shù)叫做光電容積脈搏波描記法PPG。
? ? ? ? 下圖是PPG信號和ECG信號的對比
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實際測量手指的PPG信號如下：
? ? ? ?所以，只要測得到的PPG信號比較理想算出心率也不算什么難事。但是事實總是殘酷的，由于測量部位的移動、自然光、日光燈等等其他的干擾，最終測到的信號可能是下面的這種，所以要通過很多方法進(jìn)行濾波處理
對于PPG信號的處理，目前我知道的有兩種方法。一種是時域分析，即算出一定時間內(nèi)PPG信號的波峰個數(shù)，另一種是通過對PPG信號進(jìn)行FFT變換得到頻域的特點。
時域方法：
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? ? ? ? ? 通過對原始的{PPG信號進(jìn)行濾波處理，得到一定時間內(nèi)的波峰個數(shù)，然后既可算出心率值
假設(shè)連續(xù)采樣5秒的時間，在5s內(nèi)的波峰個數(shù)為N，那么心率就是N*12 （這個相信大家都懂，就跟把脈一樣~）
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頻域分析：
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上面分析過，我們把血液流動對光吸收轉(zhuǎn)變成了AC信號，如果對于進(jìn)行FFT變換，那么就能看到頻域的特點。如下圖就是對PPG信號的FFT轉(zhuǎn)變
? ? ? ? 上圖中的頻域圖，0Hz的信號很強(qiáng)，這部分是骨骼、肌肉等組織的DC信號，在1Hz附近有個相對比較突出的信號就是血液流動轉(zhuǎn)變的AC信號。假設(shè)測得到的頻率f = 1.2Hz
那么心率HeartRate ?HR = f x60 = 1.2 x 60 = 72
最后再簡單提一下血氧的測量，相比心率血氧測量難度較大而且精度不算太高。測量血氧的原理圖下圖所示
? ? ? 由于血液中含有的氧合血紅蛋白HbO2和血紅蛋白Hb存在一定的比例，簡單說也就是含氧量吧。上面的圖表示了氧合血紅蛋白HbO2和血紅蛋白Hb對波長600~1000nm的光吸收特性，從圖中可以看出上600~800nm間Hb的吸收系數(shù)更高，800~1000之間HbO2的吸收系數(shù)更高。所以可以利用紅光（600~800nm）和接近IR（800~1000nm）的光分別檢測HbO2和Hb的PPG信號，然后通過程序處理算出相應(yīng)的比值，這樣就得到了血氧值。
但是由于光源不同，直接利用紅光和接近IR的光進(jìn)行信號對比是不可靠的，因為紅光和IR透過皮膚組織也會產(chǎn)生不同的吸收。下圖是紅光和IR透過皮膚的原始信號示意圖
? ? ? ?上面分析說過，DC部分是光透過皮膚組織轉(zhuǎn)換成的直流信號，AC是血液流動產(chǎn)生轉(zhuǎn)換成的交流信號。由于皮膚組織對紅光和IR的吸收程度不同，DC部分自然也就不一樣。為了能共“公平對待”兩種光源的PPG信號，所以需要對原始信號處理一下。下圖示意了處理后的信號（DC部分相等）
通過一定的比例計算，公平對待Red和IR的PPG信號。這樣計算出來的Hb和HbO2比例才可靠。
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本人水平有限，如有錯誤歡迎大家指出錯誤，相互學(xué)習(xí)！！
本文章參考文獻(xiàn)：
1. Dae-Geun Jang, Sangjun Park, and Minsoo Hahn ? ?A Real-Time Pulse Peak Detection Algorithm for?the Photoplethysmogram?
2. Development of a Signal Processing Library for?Extraction of SpO 2 , HR, HRV, and RR from?Photoplethysmographic Waveforms?
3. S. ?K. ?Mitra, ?Digital ?Signal ?Processing: ?A ?Computer-based Approach, 3rd ed., New York, USA: McGraw-Hill
4. Y. K. Qawqzeh, M. B. I. Reaz, M. A. M. Ali ? The analysis of PPG contour in the assessment of atherosclerosis for erectile dysfunction subjects?
5. Telecommunications Institute, Military University of Technology
6. Kaliskiego 2, 00-908 Warsaw, Poland ISSN 2079-9292 Wearable Photoplethysmographic Sensors—Past and Present?
7. Military Institute of Aviation Medicine, Krasińskiego 54, 01-455 Warsaw, Poland
8. 基于光電容積脈搏波的亞臨床動脈彈性功能研究
9. 基于PPG的心率和呼吸頻率的測量研究_馬俊領(lǐng)
光學(xué)傳感器原理圖：光學(xué)心率傳感器的主要元件及基本工作原理解析
描述
大部分可穿戴設(shè)備采用光電容積脈搏波描記法（PPG）來測量心率及其他生物計量指標(biāo)。PPG是一種將光照進(jìn)皮膚并測量因血液流動而產(chǎn)生的光散射的方法。該方法非常簡單，光學(xué)心率傳感器基于以下工作原理：當(dāng)血流動力發(fā)生變化時，例如血脈搏率（心率）或血容積（心輸出量）發(fā)生變化時，進(jìn)入人體的光會發(fā)生可預(yù)見的散射。下圖1介紹了光學(xué)心率傳感器的主要元件和基本工作原理。
圖 1：光學(xué)心率傳感器的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行
光學(xué)心率傳感器使用四個主要技術(shù)元件來測量心率：
?光發(fā)射器 - 通常至少由兩個光發(fā)射二極管（LED）構(gòu)成，它們會將光波照進(jìn)皮膚內(nèi)部。
?光電二極管和模擬前端（AFE） - 這些元件捕獲穿戴者折射的光，并將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號用于計算可實際應(yīng)用的心率數(shù)據(jù)。
?加速計 - 加速計可測量運(yùn)動，與光信號結(jié)合運(yùn)用，作為PPG算法的輸入。
?算法 - 算法能夠處理來自AFE和加速計的信號，然后將處理后的信號疊加到PPG波形上，由此可生成持續(xù)的、運(yùn)動容錯心率數(shù)據(jù)和其他生物計量數(shù)據(jù)。
光學(xué)心率傳感器可以測量什么？
光學(xué)心率傳感器可生成測量心率的PPG波形并將該心率數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)生物計量值，但是利用PPG波形可以測量的對象遠(yuǎn)不止于此。盡管很難取得和維護(hù)精確的PPG測量結(jié)果，但是如果您能夠成功獲得精確的PPG測量結(jié)果，它將發(fā)揮強(qiáng)大的作用。高品質(zhì)PPG信號是當(dāng)今市場需求的大量生物計量的基礎(chǔ)。圖2是經(jīng)過簡化的PPG信號，該信號代表了多個生物計量的測量結(jié)果。
圖 2：典型的PPG波形
下面我們進(jìn)一步詳細(xì)解讀某些光學(xué)心率傳感器可以測得的結(jié)果：
?呼吸率 - 休息時的呼吸率越低，通常這表明身體狀況越好。
?最大攝氧量（VO2max）– VO2測量人體可以攝入的最大氧氣量，是人們廣泛使用的有氧耐力指標(biāo)。
?血氧水平（SpO2） - 是指血液中的氧氣濃度。
?R-R間期（心率變異率）- R-R間期是血脈沖的間隔時間；一般而言，心跳間隔時間越長越好。R-R間期分析，可用作壓力水平和不同心臟問題的指標(biāo)。
?血壓 - 通過PPG傳感器信號，無需使用血壓計即可測量血壓。
?血液灌注 - 灌注是指人體推動血液流經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)的能力，特別是在瀕于死亡時流經(jīng)全身毛細(xì)血管床的能力。因為PPG傳感器可跟蹤血液流動，所以可以測量血流相對灌注率及血液灌注水平的變化。
?心效率 - 這是心腦血管健康和身體狀況的另一個指標(biāo)，一般來說，它測量的是心臟每搏的做功效率。
光學(xué)心率傳感器帶來的挑戰(zhàn)
設(shè)計可穿戴設(shè)備上的光學(xué)心率傳感器的難度很高，因為設(shè)計方法會受到人體運(yùn)動的很大影響。為了彌補(bǔ)這一點，您需要強(qiáng)大的光力學(xué)和信號提取算法。圖3說明了您在設(shè)計光學(xué)心率傳感器時可能面臨的部分主要挑戰(zhàn)。
圖 3：集成光學(xué)心率傳感器的主要挑戰(zhàn)
光力學(xué)
下面進(jìn)一步介紹有關(guān)PPG傳感器集成的光力學(xué)考慮事項：
?光力學(xué)耦合 - 在傳感器與人體之間是否能夠高效進(jìn)行雙向光導(dǎo)與耦合？使血流信號最大化和向傳感器施加噪音的環(huán)境噪音（如日光）最小化，是其中的關(guān)鍵。
?是否為人體部位使用了正確的波長？不同部位需要不同的波長，因為各部位的生理構(gòu)造不同，并且環(huán)境噪音對不同部位的影響不同。
?設(shè)計是否使用了多個發(fā)射器，它們的間距是否正確？發(fā)射器的間距很重要，正確布放才能確保您測量到足夠量的正確類型的血流，且測量結(jié)果具有較少的偽影。
?在體育鍛煉或身體運(yùn)動過程中，諸如皮膚與傳感器之間的位移量等機(jī)械力學(xué)作用是否最小？這對許多佩戴可穿戴設(shè)備進(jìn)行活動的常見情況都是個問題，比如跑步、慢跑和健身房鍛煉。
信號提取算法
下面進(jìn)一步介紹有關(guān)信號提取考慮事項的詳細(xì)信息：
?算法是否在多元化的人群中進(jìn)行過驗證？這一點很重要，只有進(jìn)行過此類驗證才能保證設(shè)備能夠適應(yīng)多種膚色、不同性別、不同體型和健康狀況而正常運(yùn)行。
?算法是否有抵抗多種類型運(yùn)動噪音的強(qiáng)健性？算法必須能夠在各種活動期間正常工作，包括步行、跑步（高速穩(wěn)定的跑步和間歇訓(xùn)練）、疾跑、健身房訓(xùn)練及打字或開車等日常行為。
?算法是否能夠持續(xù)改進(jìn)，以便能夠處理更多用例和新型生物計量？這種技術(shù)和可穿戴設(shè)備市場正在迅速發(fā)展，您必須不斷創(chuàng)新，才可滿足不斷變化的客戶需求。
我希望大家能夠通過本篇博客了解一些有關(guān)PPG傳感器系統(tǒng)工作原理及可測量內(nèi)容的知識。本系列的下一篇博文將探討將這種技術(shù)集成到各類設(shè)備（手表、健身手環(huán)和耳塞等）的最佳實踐。
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