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光學心率量測技術的五大挑戰

2015年10月21日  | Gabriele Manganaro、Dave Robertson/亞德諾半導體

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消費性電子產業協會(CEA)最近指出,健身追蹤裝置(fitnesstrackers)是在美國家庭中成長最快的消費性電子產品;在過去一年,擁有可穿戴式健身產品的美國家庭數量增加了一倍以上。根據另一項調查,市場研究機構BIIntelligence估計全球可穿戴式裝置市場在接下來五年的複合年成長率可達35%,出貨量將由今年的3,300萬台,在2019年達到1.48億台。


是什麼推動了可穿戴式裝置的成長?有兩個因素:其一,可穿戴是技術在過去三年來取得了顯著的進步,包括其功能以及與其他裝置、服務的整合度;其二,可穿戴式技術賦予人們量化健身活動與目標的能力,並展示了那些目標能透過追蹤加速達成。


光學感測器躍居主流,但是…所有的追蹤功能要靠感測器技術來完成,而那正逐漸成為可穿戴式裝置的標準配備;事實上,根據統計數據,到2019年出貨的可穿戴式裝置平均每台將搭載4.1個感測器,該數字在2013年為1.4。而今日成長最快速地可穿戴式裝置應用感測器元件之一,是光學心率感測器(optical heart ratesensor)。


市場研究機構IDTechEx估計,到2016年市面上超過九成的智慧手錶都會配備光學感測器。這種技術也能在目前許多已上市的產品中見到,包括蘋果(Apple)的智慧手錶Apple Watch以及Fitbit Charge HR健身腕帶,還有Jabra SportPulse與SMS Audio胸帶式心率感測器Performtek量測的步伐速率Performtek量測的心率Apple Watch量測的心率Biosport等耳機產品。


光學心率監測是利用一種叫做光體積描記(photoplethysmography,PPG)的技術,是涉及以將光線照進皮膚,藉由擷取被血液流動變化所折射的不同光線量,量測真皮與皮下組織的血液灌流量;不過目前市場上大多數的產品的性能表現都不如胸帶(chest strap)式心率感測裝置 ─這種裝置被廣泛認為是個人心率量測的基準,特別是在運動與活動時…這是為何?


事實證明,以光學方法在活動時量測心率,必須克服會影響光學心率監測裝置準確度的五大基礎性挑戰:


  ● 光學雜訊

  ● 膚色

  ● 交錯(crossover)問題

  ● 感測器在人體的位置

  ● 低灌流量(lowperfusion)

以下讓我們更進一步檢視這五大挑戰。


光學雜訊

PPG訊號的數位化處理所面臨的最大技術障礙,是將生物訊號與雜訊分離,特別是運動所產生的雜訊;遺憾的是,當你將光線照進人體的皮膚,只會有一小部分的光子(photon)回到感測器,而在整體被收集的光子中,只有百分之一或千分之一會被心臟推送的血流調變,其餘的光子只是由非博動性(non-pulsatile)生理組織所散射,例如皮膚、肌肉與肌腱等等。


因此當那些非博動性生理組織移動時─例如在運動或日常活動時─來自隨時間變化之運動雜訊導致的光散射,很難與真正的血流作區別。這個問題還會因為環境光雜訊而惡化,例如隨時間變化的陽光雜訊也能完全浸透光探測器,或是產生像是生理性的脈衝訊號。


膚色

不同地區的人種有著互異的多樣化美麗膚色,因此發展出費氏量表(FitzpatrickScale),為人體膚色分類以及它們對紫外線的反應提供了7個標準;不同膚色對光線的吸收程度也不同,因此每種能以不同的吸收光譜來表徵。這意味著PPG感測器擷取的光線強度與波長,會是取決於感測器穿戴者的膚色。


舉例來說,較深色的皮膚會吸收較多綠色光,這就導致一個問題,因為大多數光學心率監測器是採用綠光LED做為光發射器,這限制了裝置透過深色皮膚準確量測心率的能力;此外透過上面有紋身圖案的皮膚量測心率也會有問題─這是蘋果發現的問題,也就是著名的「紋身門(tattoogate)」事件,因為有些手腕有紋身又佩戴Apple Watch的人,發現心率監測功能的表現很差,甚至完全無法作用。


交錯問題

光學心率監測器的另一個挑戰是週期性活動(periodic activity)所產生的光學雜訊,也就是持續重複相似動作的活動;這最常發生在慢跑量測步伐時,因為其數字通常會落到與心率差不多的範圍(每分鐘140~180次心跳/步)。許多光學心率監測器面臨的問題是,轉譯來自光學感測器資料的演算法,很容易會把步伐速率(接拍)與心率搞錯。


這被稱為「交錯問題(crossoverproblem)」,因為若以圖表來看量測結果,當心率與步伐速率彼此交錯,許多光學心率量測裝置會傾向於將鎖定步伐速率,並將該數字做為心率呈現,即使心率可能會在該交錯之後大幅改變。這種交錯問題在Apple Watch中可明顯看出,如圖1所示。


圖1 以高強度間歇性跑步機訓練,比較Apple Watch與PerformTek兩種腕帶式光學心率監測器的量測結果。
圖1 以高強度間歇性跑步機訓練,比較Apple Watch與PerformTek兩種腕帶式光學心率監測器的量測結果。

感測器在人體的位置

光學心率監測器在人體上的佩戴位置不同,也會帶來明顯的挑戰;今日市面上大多數的光學心率感測器是佩戴在三個部位:耳朵(耳塞式耳機)、手臂(佩戴在手臂較高或較低位置的臂帶)、手腕(智慧手錶或是健身追蹤腕帶)。


事實證明,手腕是準確進行PPG心率量測的最差部位之一,因為該處會產生較高的光學雜訊(來自肌肉、肌腱與骨骼等),此外還因為人體的血管結構與血液灌流量有高度的變異性;至於皮膚表面血管密度較高的前臂,被認為是較好的位置。


耳朵則是迄今在人體放置光學心率監測器的最佳位置,因為該部位本質是軟骨與微血管,不會在人體劇烈運動時有太大移動,因此必須被過濾的光學雜訊也大幅降低。特別是因為耳朵的對耳屏(anti-tragus)與耳甲(concha)之間存在密集的微動脈,這使得耳朵部位能產生比其他部位更高的PPG訊號雜訊比。總之以上兩個特性讓耳塞式生物量測裝置能提供更好的精確度與可靠度,特別是在進行Cross-Fit等高強度運動時,如圖2所示。


圖2 比較耳塞式、腕帶式與胸帶式三種心率監測裝置在Cross-Fit運動時的量測結果。<p>
圖2 比較耳塞式、腕帶式與胸帶式三種心率監測裝置在Cross-Fit運動時的量測結果。



低灌流量

灌流是人體推送血液到微血管床(capillary bed)的過程,如同膚色,血液灌流程度在不同人之間有高度差異,可能受到肥胖、糖尿病或心臟動脈疾病的影響,使得血液灌流量降低。低灌流量─特別是在人體四肢 ─會對光學心率監測器帶來挑戰,因為訊號雜訊比可能會顯著降低,因為較低的灌流量與較低的血流訊號相關聯。


遺憾的是,低灌流量在今日的社會十分常見,因此這也成為光學心率監測器的一個不平凡挑戰;幸好在大多數因為低灌流量導致的光學心率監測器故障,心率訊號能在佩戴者幾分鐘的熱身之後重新浮現,因為此時微血管與動脈開始有脈動血流循環。


總結

以上列出的五大挑戰,解釋了部分光學心率監測器產品在量測準確度上的問題;其他一些正交性問題,如電池壽命、人體工學並沒有在我們的討論之中,但需要注意的是那些問題也在不同的使用情境下同樣重要。而我們可以慶幸的是,各家領導級光學心率監測器解決方案供應商,已經在著手針對以上的五大挑戰提出解決之道。





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