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光學傳感器原理圖：光學傳感器的工作原理

原標題：光學傳感器的工作原理

光學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，快速發展傳感技術。例如，激光的外觀，使無線電和光學技術的跨越式發展，相互滲透，相互補充。

現在，使用激光已經取得了很多的傳感器，解決了許多以前的技術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測量的原油，油注入罐開裂。在試驗現場，無電源、防爆措施要求非常嚴格的石化設備組特別適用于化工、遙測技術也可用于實現光學方法在某大型鋼鐵廠的某些方面。*

原理：發光二極管的光采樣表面，強烈的對比，采樣圖像通過鏡頭的CMOS成像，CMOS光學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，然后將信號發送到接口位移距離電路。接口電路為信號處理器所發送的位移信號的積分處理，只對計算機內部的位移信號，然后通過驅動器的進一步處理，最終形成光標在系統中的位移。返回搜狐，查看更多

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光學傳感器原理圖：光學心率傳感器工作原理

不少業內人士都認為未來可穿戴智能手表、手環需要向著更加專業化和細分化的應用領域發展，其中針對運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來了解一下光學心率監測的原理。
本文引用地址： watch心率監測
心率監測可以說是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的數據。而高溫環境下，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就轉換到紅外光模式。
這種用于血流檢測的光學技術，專業上稱為“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出綠色的燈光，并且測量的時候手腕最好保持不動否側會影響測量結果。接下來將詳細介紹光學心率測量的原理。
如下兩張圖是光學心率傳感器。圖a是LED沒有發光的時候中間是一個光敏二極管，圖b是傳感器的LED發光的時候。
圖a                                              圖b
那么為什么通過LED燈發光就能測量心率呢？
當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換成電信號再經過AD轉換成數字信號，簡化過程：光---> 電 ---> 數字信號
為什么大多數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. 進入皮膚組織的綠光（500nm）-- 黃光（600nm）大部分會被紅細胞吸收
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。早起多數采用紅光為光源，隨著進一步的研究和對比，綠光作為光源得到的信號更好，信噪比也比其他光源好些，所以現在大部分穿戴設備采用綠光為光源。但是考慮到皮膚情況的不用（膚色、汗水），高端產品會根據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、血氧等參數呢？
下圖就解釋了核心原理
當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。當我們把光轉換成電信號時，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，就能反應出血液流動的特點。我們把這種技術叫做光電容積脈搏波描記法PPG。
文章參考Richard_LiuJH的博客

光學傳感器原理圖：光學心率傳感器工作原理_1

光學心率測量原理
原博地址

簡介：
? ? ? 在這個什么都要和“智能”串聯的年代，除了我們司空見款的手機外也就是一些智能手表和手環之類的穿戴設備了。這些智能穿戴設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之一，所以心率率測量可算是高端入門產品必備的一個技能，正好最近有機會好好研究心率測量的技術，所以趁熱打鐵總結一下光學測量心率的相關知識。

? ? ? 在網上搜集了很多資料，目前心率測量有以下幾種傳感器技術（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

? ? ? 在上述的幾種方法中，最被人們熟悉的應該就是心電圖。在醫療領域，通常使用心電圖（ECG）測量生理電信號來實現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信號雖然精準并且信息豐富，但是考慮到穿戴設備的便攜性和功能簡單所以并沒有在穿戴設備上廣泛采用ECG技術。目前情況ECG還是在一些專業領域里面使用例如醫院、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。這種技術目前被廣泛應用，本文也是主要介紹這種技術。

目前市場上能看到采用這種技術的穿戴設備就有：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， 對于此技術網上的資料特別的少。不過通過親身體驗試戴JawboneUP3，感覺這種技術應該比光學測心率的技術難度大但是應該更精準更可靠。最后的Camera RGB和wifi都是是MIT研究出來的新技術，看起來都非常高端，MIT威武啊。其中一個是通過我們手機的攝像頭就能檢測出人體的體征變化，這個技術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。當然這兩種還沒有看到上市的產品所以就不多說了。

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光電容積脈搏波描記法PPG?
? ? ?光學心率傳感器，如果帶過上述那些智能手表或者智能手環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出綠色的燈光，并且測量的時候手腕最好保持不動否側會影響測量結果。接下來將詳細介紹光學心率測量的原理。

? ? ? 如下兩張圖是光學心率傳感器。圖a是LED沒有發光的時候中間是一個光敏二極管，圖b是傳感器的LED發光的時候。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

圖a ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖b

? ? ? ? 那么為什么通過LED燈發光就能測量心率呢？

? ? ? ? 當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換成電信號再經過AD轉換成數字信號，簡化過程：光--> 電 --> 數字信號

? ? ? ? 為什么大多數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. 進入皮膚組織的綠光(500nm)-- 黃光(600nm)大部分會被紅細胞吸收

? ? ? ?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。早起多數采用紅光為光源，隨著進一步的研究和對比，綠光作為光源得到的信號更好，信噪比也比其他光源好些，所以現在大部分穿戴設備采用綠光為光源。但是考慮到皮膚情況的不用（膚色、汗水），高端產品會根據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、血氧等參數呢？

? ? ?下圖就解釋了核心原理

? ? ? ? ?當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。當我們把光轉換成電信號時，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，就能反應出血液流動的特點。我們把這種技術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PPG信號的波峰個數，另一種是通過對PPG信號進行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信號進行濾波處理，得到一定時間內的波峰個數，然后既可算出心率值

假設連續采樣5秒的時間，在5s內的波峰個數為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變成了AC信號，如果對于進行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轉變

? ? ? ? 上圖中的頻域圖，0Hz的信號很強，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變的AC信號。假設測得到的頻率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的吸收系數更高，800~1000之間HbO2的吸收系數更高。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換成的直流信號，AC是血液流動產生轉換成的交流信號。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，相互學習！！

本文章參考文獻：

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

光學傳感器原理圖：光學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。PPG是一種將光照進皮膚并測量因血液流動而產生的光散射的方法。該方法非常簡單，光學心率傳感器基于以下工作原理：當血流動力發生變化時，例如血脈搏率（心率）或血容積（心輸出量）發生變化時，進入人體的光會發生可預見的散射。下圖1介紹了光學心率傳感器的主要元件和基本工作原理。
圖 1：光學心率傳感器的基本結構與運行
光學心率傳感器使用四個主要技術元件來測量心率：
?光發射器 - 通常至少由兩個光發射二極管（LED）構成，它們會將光波照進皮膚內部。
?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換成數字信號用于計算可實際應用的心率數據。
?加速計 - 加速計可測量運動，與光信號結合運用，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，由此可生成持續的、運動容錯心率數據和其他生物計量數據。
光學心率傳感器可以測量什么？
光學心率傳感器可生成測量心率的PPG波形并將該心率數據作為基礎生物計量值，但是利用PPG波形可以測量的對象遠不止于此。盡管很難取得和維護精確的PPG測量結果，但是如果您能夠成功獲得精確的PPG測量結果，它將發揮強大的作用。高品質PPG信號是當今市場需求的大量生物計量的基礎。圖2是經過簡化的PPG信號，該信號代表了多個生物計量的測量結果。
圖 2：典型的PPG波形
下面我們進一步詳細解讀某些光學心率傳感器可以測得的結果：
?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。
?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。
?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循環系統的能力，特別是在瀕于死亡時流經全身毛細血管床的能力。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，一般來說，它測量的是心臟每搏的做功效率。
光學心率傳感器帶來的挑戰
設計可穿戴設備上的光學心率傳感器的難度很高，因為設計方法會受到人體運動的很大影響。為了彌補這一點，您需要強大的光力學和信號提取算法。圖3說明了您在設計光學心率傳感器時可能面臨的部分主要挑戰。
圖 3：集成光學心率傳感器的主要挑戰
光力學
下面進一步介紹有關PPG傳感器集成的光力學考慮事項：
?光力學耦合 - 在傳感器與人體之間是否能夠高效進行雙向光導與耦合？使血流信號最大化和向傳感器施加噪音的環境噪音（如日光）最小化，是其中的關鍵。
?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造不同，并且環境噪音對不同部位的影響不同。
?設計是否使用了多個發射器，它們的間距是否正確？發射器的間距很重要，正確布放才能確保您測量到足夠量的正確類型的血流，且測量結果具有較少的偽影。
?在體育鍛煉或身體運動過程中，諸如皮膚與傳感器之間的位移量等機械力學作用是否最小？這對許多佩戴可穿戴設備進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
下面進一步介紹有關信號提取考慮事項的詳細信息：
?算法是否在多元化的人群中進行過驗證？這一點很重要，只有進行過此類驗證才能保證設備能夠適應多種膚色、不同性別、不同體型和健康狀況而正常運行。
?算法是否有抵抗多種類型運動噪音的強健性？算法必須能夠在各種活動期間正常工作，包括步行、跑步（高速穩定的跑步和間歇訓練）、疾跑、健身房訓練及打字或開車等日常行為。
?算法是否能夠持續改進，以便能夠處理更多用例和新型生物計量？這種技術和可穿戴設備市場正在迅速發展，您必須不斷創新，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PPG傳感器系統工作原理及可測量內容的知識。本系列的下一篇博文將探討將這種技術集成到各類設備（手表、健身手環和耳塞等）的最佳實踐。
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