光学心率传感器工作原理

不少业内人士都认为未来可穿戴智能手表、手环需要向着更加专业化和细分化的应用领域发展，其中针对运动人群和健康检测就是两个很好的方向。那么我们不妨通过Apple Watch来了解一下光学心率监测的原理。

Apple watch心率监测

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。

光电容积脉搏波描记法PPG

就AppleWatch来说，测量心率时底部的表盘会发出绿色的灯光，并且测量的时候手腕最好保持不动否侧会影响测量结果。接下来将详细介绍光学心率测量的原理。

如下两张图是光学心率传感器。图a是LED没有发光的时候中间是一个光敏二极管，图b是传感器的LED发光的时候。

图a                                                                                            图b

那么为什么通过LED灯发光就能测量心率呢？

当LED光射向皮肤，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转换成电信号再经过AD转换成数字信号，简化过程：光---> 电 ---> 数字信号

为什么大多数传感器都是采用的绿光呢？

我们先看看光谱的特点，从紫外线到红外线的波长是越来越长的。

之所以选择绿光作为光源是考虑到一下·几个特点：

1. 皮肤的黑色素会吸收大量波长较短的波

2. 皮肤上的水份也会吸收大量的UV和IR部分的光

3. 进入皮肤组织的绿光（500nm）-- 黄光（600nm）大部分会被红细胞吸收

4. 红光和接近IR的光相比其他波长的光更容易穿过皮肤组织

5. 血液要比其他组织吸收更多的光

6. 相比红光，绿（绿-黄）光能被氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收

总体来说，绿光-- 红光能作为测量光源。早起多数采用红光为光源，随着进一步的研究和对比，绿光作为光源得到的信号更好，信噪比也比其他光源好些，所以现在大部分穿戴设备采用绿光为光源。但是考虑到皮肤情况的不用（肤色、汗水），高端产品会根据情况自动使用换绿光、红光和IR多种光源。

虽然知道了上面的几个特点，但是还不足以弄清楚为什么通过光照就能测出心率、血氧等参数呢？

下图就解释了核心原理

当光照透过皮肤组织然后再反射到光敏传感器时光照有一定的衰减的。像肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织等等对光的吸收是基本不变的（前提是测量部位没有大幅度的运动），但是血液不同，由于动脉里有血液的流动，那么对光的吸收自然也有所变化。当我们把光转换成电信号时，正是由于动脉对光的吸收有变化而其他组织对光的吸收基本不变，得到的信号就可以分为直流DC信号和交流AC信号。提取其中的AC信号，就能反应出血液流动的特点。我们把这种技术叫做光电容积脉搏波描记法PPG。

文章参考Richard_LiuJH的博客