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穿戴式抗运动干扰血氧饱和度监测技术研究
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反射式脉搏血氧饱和度信号检测与分析系统
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3秒自动关闭窗口揭秘Apple Watch心率监测技术
发表于 10:52|
作者张新慧
摘要：心率监测可以说是Apple Watch最具革命性的一大功能，它究竟是如何实现的？Apple Watch利用LED绿光何红外光，以及两种光传感器监测心率，并以光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography，简称PPG）用于血流检测。
Apple Watch利用LED绿光和红外光，以及两种光传感器来检测心率。当其处于15摄氏度（59华氏度）以下的低温时，通过测量绿光的吸收状况来获取更为精准的数据。而高温环境下，比如用户正在健身房里挥汗如雨时，皮肤表面水分增加，由于更多绿光已经被吸收掉，要检测皮下反射的绿光就比较困难，这时Apple Watch就转换到红外光模式。这种用于血流检测的光学技术，专业上称为“光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography）”，简称PPG。绿光PPG跟EKG（心电图）获取的数据更接近。下图显示的是PPG测量结果和EKG、血压数据的对比情况。可以看出PPG技术上的优势，以及跟EKG数据更为匹配：心脏平均每分钟跳（bpm）72下。运动过程中，肌肉需要更多氧气，心跳会加速来满足氧气供应；健身时，Apple Watch的心率感应器将心率数据显示在手腕的屏幕上，用户可以随时随地用Heart Rate Glance查看。Apple Watch的绿光模式每分钟检测一次，而红外光模式每十分钟检测一次，收集用户的心率和脉冲等数据。信息和数据储存在健康应用中，帮助计算用户消耗的卡路里数量，还可以反映运动强度以及运动过程中的心率变化。Apple Watch是如何检测心率的？“光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography）”的英文单词读起来难，但原理却简单：血液是红色的，反射红光，吸收绿光。Apple Watch结合绿色LED光跟感光光电二极管，检测特定时间手腕处流通的血液量。心脏跳动的一瞬，手腕处流通的血液量增加，吸收更多绿光；而心跳间隙，吸收的绿光就少一些。Apple Watch上LED光每秒闪动数百次，计算出每分钟的心跳次数，也就是心率。Apple Watch心率传感器的红外光模式每十分钟检测一次心率。倘若红外系统无法读取足够数据的话，Apple Watch就会自动转换到绿光模式。心率传感器还通过提高LED亮度和采样率来应对信号不足的情况。正确佩戴方式有助于提高数据准确性即便在理想条件下，Apple Watch也不能次次保证所有用户都能得到准确的心率数据。一小部分用户的心率数据有可能受到诸多不确定因素的影响。但有一些技巧可以帮助Apple Watch保持稳定的工作状态，提高数据准确性。手表松紧度如果Apple Watch佩戴不当，传感器可能无法检测心率。解决方案是：稍稍上紧表带，达到舒适的松紧度即可。&其他影响因素其他因素也会影响Apple Watch心率传感器的正常工作，例如皮肤血流（skin perfusion）和运动状态（motion）。皮肤血流是指流经皮肤的血液量，因个人情况和环境影响产生差别，比如在寒冷的环境下健身时，手腕上的皮肤血流量可能过低，导致心率传感器无法读取数据；就运动状态而言，跑步或自行车等节律性运动相比网球和拳击等非节律性运动，更以获取准确的心率数据。受到上述因素影响，心率传感器状态不稳定时，可将Apple Watch无线连接到外部的蓝牙胸带等心率检测器上。心率只是Apple Watch用于评估用户运动健身状况的参数之一。Apple Watch会根据不同的健身项目选择最合适的参数。比如在室内跑步时，Apple Watch会采用加速计；在室外骑自行车时，采用iPhone里的GPS。即使用户一天下来并没有健身，Apple Watch也会追踪其他活动的状况。总而言之，Apple Watch不但提供信息，还鼓励通过健身来保持身形和健康。耳朵脉搏血氧计采集的PPG数据，反映呼吸引起的振幅变化，很有代表性：检测心率的过程PPG是通过光学技术获取的体积描记图，测量特定器官的体积。脉搏血氧器将光线照射在皮肤上，获取反映光线吸收变化的数据，描绘出PPG。传统的脉搏血氧器检测真皮和皮下组织的血流量。人体皮肤由数层组成每个心率周期（cardiac cycle）里，心脏跳动着将血液输送到心脏外围。虽然压力脉冲（pressure pulse）在触及皮肤的瞬间速度有所减缓，但足以使皮下组织的动脉和小动脉扩张。压力脉冲在脉搏血氧计不挤压皮肤的状态下以次峰的形式在静脉丛处体现。将LED光线照射在皮肤上，再检测有多少光线传输或反射回光电二极管，以此法得到压力脉冲导致的血流量变化的数据，而皮肤血流量受多个生理系统调整。其他循环数据，如呼吸、血容量过低的状况也可在PPG中体现。检测对象不同，PPG的电子波形也会发生变化，且受到脉搏血氧计安装地点和方式的影响。水对光的吸收状况通过对比PPG中绿光和红外光的反射状况，以及ECG获取的数据，可以评估脉搏率测量的准确性。绿光和红外光的波长分别为525和880nm，实验在25摄氏度的环境中以及皮肤温度低于15摄氏度的条件下进行。反射绿光的PPG获取的脉搏率数据跟ECG RR间期、以及反射红外光的PPG进行了对比。结果显示，在两种温度下，绿光PPG和ECG获取的数据均有很高的关联度。绿光PPG比红外光PPG更具优势，尤其是在温度低于15摄氏度的情况下。
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相关热门文章你的问题不够准确，测量心率（即每分钟心脏搏动的次数）与测量心电（即心脏电活动）是两个不同的问题。通过对心电信号的处理，完全可以获得心率。但是也可以完全无需心电信号就获得心率。因此这两者不能混为一谈，如果这样等同的话，问题就没法谈了。我猜测你可能是误认为光电法获得的脉搏波信号也是心电信号了。&br&你说的光反射法测量并不准确。利用光反射可以获得心率的方法有两种。一种是利用单波长光，原始光信号直接输出，然后接收组织的反射光信号。测量的是组织容积在心脏搏动时的微小变化造成的反射光强度变化。这一方法仅仅可以获得脉搏波信号，可以通过峰值检测获得心率。另一种是光电容积法测量血氧饱和度，使用的是双波长光信号，可以是你说的反射式的，也可以是透射式的，一般以透射为主，信号强度大一些。光信号需要进行调制，双波长光线轮流照射组织，获得了每一时刻组织对两种不同波长光线的透射光/反射光强度。然后解调并根据朗伯比尔定律计算出血氧饱和度。同时呢，由于获得了每一时刻组织的反射/透射光强，即获得了脉搏波信号，检测峰值后即可获得心率。总结而言就是使用光电容积法，单波长条件下可以获得脉搏波，进而检测心率，双波长条件下则不仅可以获得脉搏波和心率，还可以测量血氧饱和度。&br&使用电极进行心电测量则仅仅能够获得心电信号（这是生物电信号，不是脉搏波信号，虽然都与心脏搏动活动相关），经过峰值检测可以获得心率。不能获得血氧饱和度信号和脉搏波信号。&br&所以如果你的问题是怎样检测心率最好，那么要看你如何评价最好，在什么环境下检测。对于卧床病人的床旁检测，多选用光电容积法。因为不需要像心电测量一样使用一次性电极，比较简单。不过从精度而言二者差异不大。如果是对于健身房里运动中的人员，那么最好使用心电，实际上有商品化的方案可以直接采集心电经处理输出心率的，这在许多健身器械上很常见了。因为此时人运动带来的干扰会使得光电容积法基本失效，而电信号则不受影响。&br&如果是检测心电的话，那么就是使用电极测量法，没有别的方法。
你的问题不够准确，测量心率（即每分钟心脏搏动的次数）与测量心电（即心脏电活动）是两个不同的问题。通过对心电信号的处理，完全可以获得心率。但是也可以完全无需心电信号就获得心率。因此这两者不能混为一谈，如果这样等同的话，问题就没法谈了。我猜测…
据我所知有三种：光电、心电、震动。&br&&br&最常见的是光电式：一束光打在皮肤上，测量反射/透射的光。因为血液对特定波长的光有吸收作用，每次心脏泵血时都会该波长都会被大量吸收，以此就可以确定心跳。缺点：耗电大，会因环境光干扰。&br&&img src=&/e5f6dd2b742c7a1bb6fbf5_b.jpg& data-rawwidth=&481& data-rawheight=&295& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&481& data-original=&/e5f6dd2b742c7a1bb6fbf5_r.jpg&&&br&（图片来自&a href=&http://upload./.jpg& class=& external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&&span class=&invisible&&http://&/span&&span class=&visible&&upload./&/span&&span class=&invisible&&.jpg&/span&&span class=&ellipsis&&&/span&&i class=&icon-external&&&/i&&/a&）&br&&br&&img src=&/0f41aab51cce_b.jpg& data-rawwidth=&550& data-rawheight=&451& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&550& data-original=&/0f41aab51cce_r.jpg&&（&a href=&.cn/uploadfile/medical_electronics/uploadfile/74.jpg& class=& external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&&span class=&invisible&&http://www.&/span&&span class=&visible&&.cn/uploadfi&/span&&span class=&invisible&&le/medical_electronics/uploadfile/74.jpg&/span&&span class=&ellipsis&&&/span&&i class=&icon-external&&&/i&&/a&）&br&&img src=&/e1e9c055f98ee_b.jpg& data-rawwidth=&630& data-rawheight=&344& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&630& data-original=&/e1e9c055f98ee_r.jpg&&（&a href=&/493.jpg& class=& external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&&span class=&invisible&&http://&/span&&span class=&visible&&/&/span&&span class=&invisible&&/08493.jpg&/span&&span class=&ellipsis&&&/span&&i class=&icon-external&&&/i&&/a&）&br&发绿光的就是LED啦，中间那个不发光的就是测量反射光的sensor。我所了解的所有运动手表都是yo&br&&img src=&/0c98de025f23cb629b5cd127f0645c65_b.jpg& data-rawwidth=&554& data-rawheight=&369& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&554& data-original=&/0c98de025f23cb629b5cd127f0645c65_r.jpg&&（&a href=&/uploads/allimg/.jpg& class=& external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&&span class=&invisible&&http://&/span&&span class=&visible&&/uploads/all&/span&&span class=&invisible&&img/.jpg&/span&&span class=&ellipsis&&&/span&&i class=&icon-external&&&/i&&/a&）&br&这个是运动耳机。暂时没找到明确说其测心率原理的地方，依照图片来看应该也是光电式：L耳机那两个空应该就是一收一发。因为耳朵上皮肤比较薄，所有对于光电式测量有一定的优势。&br&&br&另外就是测心电信号：测量心肌收缩的电信号。和心电图类似原理。缺点：电路复杂，占PCB空间大。sensor必须紧贴皮肤，放置位置相对固定。&br&心率带常用。&br&&img src=&/ccd46d558a54fd_b.jpg& data-rawwidth=&500& data-rawheight=&375& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&500& data-original=&/ccd46d558a54fd_r.jpg&&&br&（&a href=&/IT/digi//_f7e6Oz.jpg& class=& external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&&span class=&invisible&&http://&/span&&span class=&visible&&/IT/digi/2&/span&&span class=&invisible&&010-10-13/_f7e6Oz.jpg&/span&&span class=&ellipsis&&&/span&&i class=&icon-external&&&/i&&/a&）&br&坐下的图片就是导电橡胶。因为需要接触皮肤，心率带都会要求贴身穿戴。并且稍微出汗之后测量才会比较准确。&br&&br&第三种振动式比较少见，最近才有产品出来。 因为每次心跳都会引起身体的震动，通过高精度的传感器捕捉这种震动，再经过信号处理可以得到心跳。比如下面的darma 坐垫。&br&&img src=&/1ce0f5a668dc05f4b2c2b_b.jpg& data-rawwidth=&400& data-rawheight=&300& class=&content_image& width=&400&&（&a href=&/thumb/?w=400&h=300&src=/images/363f2a6f3a39d7f655fc7b3bebe61eb1.jpg& class=& external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&&span class=&invisible&&http://&/span&&span class=&visible&&/thumb/?&/span&&span class=&invisible&&w=400&h=300&src=/images/363f2a6f3a39d7f655fc7b3bebe61eb1.jpg&/span&&span class=&ellipsis&&&/span&&i class=&icon-external&&&/i&&/a&）&br&他们用的是自己开发的光纤传感器来测量这样小的震动。&br&还有这个，床带？&br&&img src=&/c6e8ed32d190bc_b.jpg& data-rawwidth=&1134& data-rawheight=&742& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&1134& data-original=&/c6e8ed32d190bc_r.jpg&&&br&（&a href=&/products/beddit?locale=en& class=& wrap external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&Misfit Beddit&i class=&icon-external&&&/i&&/a&）&br&我记得还有用高精度加速度计来测量心跳的，不过目前好像还没有产品化。暂时也没有找到图。。&br&这种方法仅限于人体相对静止的情况。因为心跳引起的身体震动本身就极其微小，如果人又在运动的话就极其难测量和处理数据。所以目前应用仅限于坐垫、床（好像还有安装在汽车安全带上的？）。
据我所知有三种：光电、心电、震动。最常见的是光电式：一束光打在皮肤上，测量反射/透射的光。因为血液对特定波长的光有吸收作用，每次心脏泵血时都会该波长都会被大量吸收，以此就可以确定心跳。缺点：耗电大，会因环境光干扰。（图片来自…
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135 人关注作者：&作者本人请参看导师姓名：&学位授予单位：&授予学位：硕士学位年度：2012专业：&关键词：&&&&&摘要:（摘要内容经过系统自动伪原创处理以避免复制，下载原文正常，内容请直接查看目录。）我国每五年停止一次的公民体质监测成果注解，虽然我国公民体质整体程度赓续进步，但却存在着成年人未老先衰、超重和瘦削率连续增加的景象，并建议人们公道地增长体育锤炼。同时，跟着老龄化景象的日趋严重，社会医疗系统逐步在向以家庭为中间的“p一安康”(p一Health)形式过渡。可穿着式脉搏血氧仪可以供给动脉血氧饱和度、心率等心理旌旗灯号的及时监测，而且可以或许为疾病的晚期诊断、慢性疾病病人的家庭监护供给赞助，从而在完成“全平易近安康的低本钱"上施展感化。本文提出了一种及时持续检测动脉血氧饱和度和心率的可穿着反射式脉搏血氧静态监测体系，体系具有低功耗特色，由可穿着光学反射式探头和脉搏血氧监测模块构成，采取低功耗单电源供电芯片，下降芯片数量。低负荷的双波长(630nm，940nm)反射式探头检测人体光电容积脉搏波(PPG)旌旗灯号；脉搏血氧监测模块中低功耗的PPG模仿旌旗灯号处置链在获得旌旗灯号直流基线的同时，去除旌旗灯号直流重量来缩小交换重量，旌旗灯号经由Sallen一Key低通滤波器后送入模数变换器。体系应用周期挪动均匀滤波器和差分算法提取血氧饱和度，应用综合了自顺应窗函数和改良的微分阈值的及时心率丈量算法盘算心率。监测数据经由过程12864液晶显示，存储于年夜容量FLASH并可传输至基站。样机对5名测试者在两种状况(静息和挪动)下的测试试验注解，反射式探头对PPG旌旗灯号的检测具有鲁棒性，体系任务稳固，初步证实了可穿着反射式脉搏血氧监测体系用于多种安康护理情形(如慢性肺病等疾病康复和其他通用的小我安康保健)中的可行性，往后可作为心理监测节点参加到人体传感器收集中。Abstract:In our country every five years to stop a civil constitution monitoring data annotation, although our country citizen constitution overall level rise ceaselessly. But there is a adult premature aging, overweight and obesity rate increased continuously in the scene, and advised people reasonable growth of physical exercise. At the same time, along with the aging of the scene of the increasingly serious, the social medical system gradually to the family as the middle of the "P" (p a Health) in the form of transition. Wearing type pulse oximeter can supply arterial oxygen saturation, heart rate and other psychological flags, timely monitoring, and perhaps for the late diagnosis of the disease, patients with chronic diseases in family care to provide assistance, in order to complete "low cost of Quan Pingyi health of the" display effect. In this paper, a method of continuous measurement of arterial oxygen saturation and heart rate is proposed. The system has low power consumption. The system has low power consumption, which is composed of a low power consumption single power supply core chip and a decrease in the number of chips. Low load of dual wavelength (630 nm and 940 nm) reflection type probe detecting human body capacitance volume pulse wave (PPG) PPG pulse oximetry monitoring module of low power imitate signal processing chain in obtaining signal DC baseline at the same time, remove signal DC weight to reduce weight exchange, the signal through the Sallen key low-pass filter into the analog to digital converter. The system is applied to extract oxygen saturation by using the periodic moving average filter and difference algorithm, and the algorithm for calculating the heart rate of the algorithm is applied to calculate the heart rate of the self adaptation window function and the improved differential threshold. Monitoring data through the process 12864 LCD, stored in a large capacity FLASH and can be transmitted to the base station. Prototype of five test under both resting and moving condition test annotation and reflection type probe of the PPG signal detection with robustness, task system stable, confirmed that the wearing reflective pulse oximetry monitoring system for a variety of health care situation (such as chronic lung disease, rehabilitation, and other common ego health care) in the feasibility, the subsequent to attend in body sensor network as a psychological monitoring node.目录:摘要4-5ABSTRACT5第一章 绪论8-16&&&&1.1 课题研究的背景和意义8-9&&&&1.2 血氧饱和度的生理学基础9-10&&&&&&&&1.2.1 血氧饱和度的产生机制9&&&&&&&&1.2.2 氧分压和氧解离曲线9-10&&&&&&&&1.2.3 动脉血氧饱和度的定义10&&&&1.3 用于通用健康护理的可穿戴式脉搏血氧监测10-11&&&&&&&&1.3.1 穿戴式医疗仪器10-11&&&&&&&&1.3.2 可穿戴式脉搏血氧传感器11&&&&1.4 国内外研究现状11-14&&&&1.5 本文研究任务和内容14-15&&&&1.6 本文章节安排15-16第二章 脉搏血氧无创检测理论的原理和方法16-20&&&&2.1 血氧饱和度检测理论的基本概念16-17&&&&2.2 透射式双波长脉搏血氧检测17-18&&&&2.3 反射式双波长脉搏血氧检测18-20第三章 可穿戴反射式脉搏血氧动态监测系统的硬件设计20-34&&&&3.1 总体设计思路20-22&&&&&&&&3.1.1 功能需求分析20-21&&&&&&&&3.1.2 反射式血氧饱和度测量的硬件设计需求21&&&&&&&&3.1.3 系统架构组成21-22&&&&3.2 穿戴式光学反射式探头22-24&&&&3.3 脉搏血氧动态监测模块24-31&&&&&&&&3.3.1 PPG信号采集检测模块设计24-26&&&&&&&&3.3.2 Sallen-Key低通滤波器模块单元26-27&&&&&&&&3.3.3 微处理器模块27-28&&&&&&&&3.3.4 存储模块28-29&&&&&&&&3.3.5 系统电源模块29-30&&&&&&&&3.3.6 人机接口模块30&&&&&&&&3.3.7 通讯接口模块30-31&&&&&&&&3.3.8 其他模块31&&&&3.4 脉搏血氧监测模块的低功耗、硬件微型化设计原则31-32&&&&3.5 硬件抗干扰方案32&&&&3.6 本章小结32-34第四章 可穿戴反射式脉搏血氧动态监测系统的软件设计34-47&&&&4.1 系统软件概述34&&&&4.2 系统软件算法流程图34-36&&&&4.3 系统初始化模块36-37&&&&&&&&4.3.1 定时器初始化36&&&&&&&&4.3.2 液晶显示模块初始化36-37&&&&&&&&4.3.3 工作模式选择37&&&&4.4 硬件时分复用与探头逻辑控制37-38&&&&4.5 A/D变换模块38-39&&&&4.6 液晶显示模块39-40&&&&4.7 FLASH数据储存器模块40-42&&&&4.8 实时测量算法42-45&&&&&&&&4.8.1 光电容积脉搏波信号预处理42-43&&&&&&&&4.8.2 实时心率测量算法43-45&&&&&&&&4.8.3 动脉血氧饱和度测量算法45&&&&4.9 系统实时监测预警方案45-46&&&&4.10 本章小结46-47第五章 系统调试与分析47-56&&&&5.1 实验装置及实验步骤47&&&&5.2 系统整体调试47-49&&&&5.3 血氧饱和度定标49-50&&&&&&&&5.3.1 定标方法49-50&&&&&&&&5.3.2 反射式血氧饱和度测量定标50&&&&5.4 实验和结果分析50-55&&&&&&&&5.4.1 仪器性能参数50-51&&&&&&&&5.4.2 反射式探头的性能测试51-53&&&&&&&&5.4.3 系统监测实验53-55&&&&5.5 本章小结55-56第六章 总结与展望56-58&&&&6.1 本文主要研究成果56-57&&&&6.2 展望57-58参考文献58-64致谢64-65攻读硕士学位期间的主要成果65原价：￥20.00元折价：￥5.00元分享到：参考文献[1].牛明香.[D].山东农业大学.2004[2].张莉.[D].中央民族大学.2013[3].赵明剑.[D].华南理工大学.2013[4].邓婕.[D].中国人民解放军军医进修学院,解放军总医院,军医进修学院.2013[5].王东旭.[D].中国医科大学.2013[6].唐龙飞.[D].西安电子科技大学.2012[7].焦继业.[D].西安电子科技大学.2013[8].袁博.[D].西安电子科技大学.2013[9].李孛.[D].中国舰船研究院.2013[10].闵剑.[D].武汉理工大学.2013[11].黄晓阳.[D].苏州大学.2013[12].陈阳.[D].苏州大学.2013[13].贾晓云.[D].兰州大学.2013[14].刘予峰.[D].兰州大学.2013[15].董洪楠.[D].山东大学.2013