光学心率量测技术的五大挑战

消费性电子产业协会(CEA)最近指出，健身追踪设备(fitnesstrackers)是在美国家庭中成长最快的消费性电子产品；在过 去一年，拥有可穿戴式健身产品的美国家庭数量增加了一倍以上。根据另一项调查，市场研究机构BIIntelligence估计全球可穿戴式设备市场在接下 来五年的复合年成长率可达35%，出货量将由今年的3,300万台，在2019年达到1.48亿台。 是什么推动了可穿戴式设备的成长？有两个因素：其一，可穿戴是技术在过去三年来取得了显著的进步，包括其功能以及与其他设备、服务的整合度；其二，可穿戴式技术赋予人们量化健身活动与目标的能力，并展示了那些目标能透过追踪加速达成。 光 学传感器跃居主流，但是…所有的追踪功能要靠传感器技术来完成，而那正逐渐成为可穿戴式设备的标准配备；事实上，根据统计数据，到2019年出货的可穿戴式设备平均每台将搭载4.1个传感器，该数字在2013年为1.4。而今日成长最快速地可穿戴式设备应用传感器组件之一，是光学心率传感器 (optical heart ratesensor)。 市场研究机构 IDTechEx估计，到2016年市面上超过九成的智能手表都会配备光学传感器。这种技术也能在目前许多已上市的产品中见到，包括苹果(Apple)的 智慧手表Apple Watch以及Fitbit Charge HR健身腕带，还有Jabra SportPulse与SMS Audio胸带式心率传感器Performtek量测的步伐速率Performtek量测的心率Apple Watch量测的心率Biosport等耳机产品。 光学心率监测是利用一种叫做光体积描记(photoplethysmography，PPG) 的技术，是涉及以将光线照进皮肤，藉由撷取被血液流动变化所折射的不同光线量，量测真皮与皮下组织的血液灌流量；不过目前市场上大多数的产品的性能表现都 不如胸带(chest strap)式心率感测设备 ─这种设备被广泛认为是个人心率量测的基准，特别是在运动与活动时…这是为何？ 事实证明，以光学方法在活动时量测心率，必须克服会影响光学心率监测设备准确度的五大基础性挑战： 　　●　光学噪声 　　●　肤色 　　●　交错(crossover)问题 　　●　传感器在人体的位置 　　●　低灌流量(lowperfusion) 以下让我们更进一步检视这五大挑战。 光学噪声 PPG 讯号的数字化处理所面临的最大技术障碍，是将生物讯号与噪声分离，特别是运动所产生的噪声；遗憾的是，当你将光线照进人体的皮肤，只会有一小部分的光子 (photon)回到传感器，而在整体被收集的光子中，只有百分之一或千分之一会被心脏推送的血流调变，其余的光子只是由非博动性(non- pulsatile)生理组织所散射，例如皮肤、肌肉与肌腱等等。 因此当那些非博动性生理组织移动时─例如在运动或日常活动时─来自随时间变化之运动噪声导致的光散射，很难与真正的血流作区别。这个问题还会因为环境光噪声而恶化，例如随时间变化的阳光噪声也能完全浸透光探测器，或是产生像是生理性的脉冲讯号。 肤色 不 同地区的人种有着互异的多样化美丽肤色，因此发展出费氏量表(FitzpatrickScale)，为人体肤色分类以及它们对紫外线的反应提供了7个标 准；不同肤色对光线的吸收程度也不同，因此每种能以不同的吸收光谱来表征。这意味着PPG传感器撷取的光线强度与波长，会是取决于传感器穿戴者的肤色。 举 例来说，较深色的皮肤会吸收较多绿色光，这就导致一个问题，因为大多数光学心率监测器是采用绿光LED做为光发射器，这限制了设备透过深色皮肤准确量测心 率的能力；此外透过上面有纹身图案的皮肤量测心率也会有问题─这是苹果发现的问题，也就是著名的「纹身门(tattoogate)」事件，因为有些手腕有 纹身又佩戴Apple Watch的人，发现心率监测功能的表现很差，甚至完全无法作用。 交错问题 光 学心率监测器的另一个挑战是周期性活动(periodic activity)所产生的光学噪声，也就是持续重复相似动作的活动；这最常发生在慢跑量测步伐时，因为其数字通常会落到与心率差不多的范围(每分钟 140~180次心跳/步)。许多光学心率监测器面临的问题是，转译来自光学传感器数据的算法，很容易会把步伐速率(接拍)与心率搞错。 这 被称为「交错问题(crossoverproblem)」，因为若以图表来看量测结果，当心率与步伐速率彼此交错，许多光学心率量测设备会倾向于将锁定步 伐速率，并将该数字做为心率呈现，即使心率可能会在该交错之后大幅改变。这种交错问题在Apple Watch中可明显看出，如图1所示。

图1 系统的总体框图
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传感器在人体的位置 光学心率监测器在人体上的佩戴位置不同，也会带来明显的挑战；今日市面上大多数的光学心率传感器是佩戴在三个部位：耳朵(耳塞式耳机)、手臂(佩戴在手臂较高或较低位置的臂带)、手腕(智能手表或是健身追踪腕带)。 事实证明，手腕是准确进行PPG心率量测的最差部位之一，因为该处会产生较高的光学噪声(来自肌肉、肌腱与骨骼等)，此外还因为人体的血管结构与血液灌流量有高度的变异性；至于皮肤表面血管密度较高的前臂，被认为是较好的位置。 耳 朵则是迄今在人体放置光学心率监测器的最佳位置，因为该部位本质是软骨与微血管，不会在人体剧烈运动时有太大移动，因此必须被过滤的光学噪声也大幅降低。 特别是因为耳朵的对耳屏(anti-tragus)与耳甲(concha)之间存在密集的微动脉，这使得耳朵部位能产生比其他部位更高的PPG讯号噪声 比。总之以上两个特性让耳塞式生物量测设备能提供更好的精确度与可靠度，特别是在进行Cross-Fit等高强度运动时，如图2所示。

图2 比较耳塞式、腕带式与胸带式三种心率监测设备在Cross-Fit运动时的量测结果。
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低灌流量 灌 流是人体推送血液到微血管床(capillary bed)的过程，如同肤色，血液灌流程度在不同人之间有高度差异，可能受到肥胖、糖尿病或心脏动脉疾病的影响，使得血液灌流量降低。低灌流量─特别是在人 体四肢 ─会对光学心率监测器带来挑战，因为讯号噪声比可能会显著降低，因为较低的灌流量与较低的血流讯号相关联。 遗憾的是，低灌流量在今日的社会十分常见，因此这也成为光学心率监测器的一个不平凡挑战；幸好在大多数因为低灌流量导致的光学心率监测器故障，心率讯号能在佩戴者几分钟的热身之后重新浮现，因为此时微血管与动脉开始有脉动血流循环。 总结 以 上列出的五大挑战，解释了部分光学心率监测器产品在量测准确度上的问题；其他一些正交性问题，如电池寿命、人体工学并没有在我们的讨论之中，但需要注意的 是那些问题也在不同的使用情境下同样重要。而我们可以庆幸的是，各家领导级光学心率监测器解决方案供货商，已经在着手针对以上的五大挑战提出解决之道。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载