如今,保持身体强健已成为许多人的一种生活方式,例如吃健康食品、每晚睡七到八个小时和坚持每天锻炼等等。同时,由于活动跟踪设备的使用,我们能监测自己每天的进步。我们能够在可穿戴活动跟踪设备的帮助下,轻松记录我们行走了多少步、燃烧了多少卡路里以及睡眠质量的好坏。可穿戴设备中的传感器可收集、处理和显示一系列个人数据,帮助监测和管理越来越多的个人健康领域。可穿戴设备能够测量广泛的人体机能,包括血压、心率及血氧水平。光电子元件可在测量这些参数方面发挥重要作用。

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图1:可穿戴活动跟踪设备帮助我们轻松记录运动数据。

心率对测定和改善个人健康水平具有重要意义。知道一个人的最大心率,即可计算其理想目标心率区间,即能够使心脏得到锻炼和调理但又不过度劳累的心率水平。如果锻炼强度合适,那么我们将能够通过锻炼获得最大益处。监测心率的方法有两种:心电图( EKG或ECG)和血管容积图(PPG)。

EKG可测量心脏的电活动。伴随着每次心跳都有一个电脉冲(或“电波”)穿过心脏。该电波造成肌肉收缩,将血液从心脏泵出。虽然EKG是医院或医生办公室中的理想心率监测工具,但并不适合监测我们的日常活动,因此我们转而采用PPG。

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图2:心电图。

PPG使用光学方法来检测人体组织中的血容积变化。PPG感测系统由光源和光电探测器组成。光源可为单一绿光LED,或者红光和红外光LED。PPG传感器发光,然后光电探测器测量被人体组织反射或穿过人体组织的光的强度。光强的变化与组织血液灌注的微小变化有关,并提供关于心血管系统的信息,特别是脉搏率。在活动跟踪设备或可穿戴设备出现之前,最常见的心率测量装置是脉搏血氧仪,其主要在医生办公室使用,且其测量方法是基于光在手指中的传输。可穿戴设备则是基于皮肤对光的反射。

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图3:脉搏血氧仪主要是在医生办公室使用,测量方法是基于光在手指中的传输。

顾名思义,脉搏血氧计有两个功能: 提供脉搏率和测量血液含氧水平。监测血氧水平对具有呼吸衰竭危险(如哮喘)的患者、艰苦训练期间的运动员和在高海拔位置锻炼的任何人都具有重要意义。血氧测定法是一种非侵入式测量和监测技术,用于估计血液中的氧饱和度。氧合血红蛋白(HbO2)是一种与血红细胞相结合的蛋白,其吸光特征不同于还原血红蛋白(Hb)。与氧合血红蛋白相比,血红蛋白在光谱的红色区域(波长约660nm)具有较高的吸光水平。而在光谱的近红外区域(波长约940nm),血红蛋白的吸光水平远低于氧合血红蛋白。通过在两种波长条件下测量穿过人体组织或被人体组织反射的光,可测定血液的氧饱和度。

如前所述,可穿戴设备读数是基于反射光的。这意味着发射器和光电探测器安装在同一块印制电路板(PCB)上。关键在于只允许光电探测器“看见”反射光;来自发射信号的光会破坏测量。设计工程师可使用机械屏障对发射器与探测器进行光隔离,或者可使用内置遮光侧的FAM封装。

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图4:采用0.9mm FAM封装的Vishay VEMD5060X01 PIN光电二极管。

光电探测器的性能特征在设计用于心率和血氧测量的传感器时非常重要。这些特征包括130°宽视角、至少100ns的响应时间、与反射强度无关的线性输出电流,以及对430nm至1100nm波长的光的敏感性——这是波长为525nm的绿光LED信号或使用660nm红光和940nm红外光的双发射器传感器的理想搭配。最后,心率和血氧测量还需要具有窄光谱带宽、高辐射功率、10ns上升和下降时间以及优良热稳定性的高效率LED。

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图5:VEMD5010X01的光谱灵敏度。

《电子技术设计》2016年9月刊版权所有,谢绝转载。

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