奥地利微电子公司应用经理 李圣均

 中国电子报、电子信息产业网  作者:
发布时间:2014-04-11
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  第二届中国电子信息博览会(CITE2014)于2014年4月10日至12日举行,博览会期间,由中国电子报社主办的“2014可穿戴设备产业链创新论坛”于4月11日下午在深圳会展中心举办,电子信息产业网进行了现场直播。

  以下为现场图文直播:

  奥地利微电子公司应用经理 李圣均

李圣均:现在很多人或者是公司都在思考用什么样的传感器,特别是与健康和运动健康相关的传感器,可以用在可穿戴的设备上,有些公司正在寻找一些测量心率的传感器,也正在寻找可以测量血压、血氧、血糖、体温的一些传感器。相信大家也正在寻找一些可以用在自己的可穿戴设备上的传感器。

今天我跟大家分享的是在智能手表中用光学的方法来测量心率或是血氧的时候大家可能会遇到的一些问题。

用光学的方法测量心率或者是血氧的时候会遇到哪些问题?首先,体积一定要小,因为在智能手表中本来可用的空间就很小,再除去处理器、存储器、电源、电池等等之后,剩下的空间已经很小了。其次,测量的可靠性、准确性一定要高。如果戴一个手表,测到心率每分钟400跳会如何?我想我一定会以为自己是一个超人。再次,功耗一定要低,成本也一定要低,最好不要花钱。当然最后,还有一些其他的因素需要考虑,比如说戴着一定要舒服等等。

先说一下大小、体积的问题。一个最基本的智能手表,如果采用分力器件做的测量心率的方案,大概需要50多个元器件,占用不少于400个平方的PCP板的面积。假设这个手表中可用的PCP板的面积是4厘米×4厘米,测量心率这一块就占掉了PCP板的四分之一的面积,所以说一个更高集成度的解决方案是必须的。

可靠性是其中非常重要的一个问题。用光学的方法测量心率,最基本的原理是当血液在动脉血管中流动的时候,血管会随着心脏的跳动扩张和收缩,再通过检测由皮肤反射回来的光强的变化,就可以测到心率,我们会用LED来照亮皮肤。

大家是不是想这个东西很简单?只是一个光打到皮肤上就可以看到光强有变化,光强随着心跳在变化,听起来好象很简单,其实很复杂,因为有许多的因素会影响测量的准确性和可靠性。

首先,在这个自然的环境中,会有许许多多的光源,这些光源对测量都会产生干扰,影响测量的准确性和可靠性。在强太阳光下,可能光敏的器件已经产生饱和,根本没有办法用它来测心跳。还有荧光灯、白炽灯等等里面会有50赫兹或者是60赫兹的闪烁,这个闪烁人眼是看不出来的,但是光敏器件是可以看得出来的。这些50或者是60赫兹的光源的闪烁,会在输送信号中产生很强的干扰,干扰信号甚至会大大高于可用的信号。另外,手表戴在手上,如果太松或者是太紧都有可能测不到有用的信号。手表哪怕是有轻微的晃动,在输出信号中都会有很强的干扰。一杯水端在水上会晃动,同样的道理,血液在血管中流动的时候,当我们摆动手臂的时候,血液在血管中也会晃动。这就会产生由于运动引起的虚假的心跳信号。

以上提到的这些干扰因素,我们称之为频幅范围和心跳的频幅范围很多时候是重合的,所以我们需要用多种不同的技术来消除或者是减少这些干扰因素的影响。

当然还有其他许许多多因素的影响,比如说皮肤颜色的深浅也会有影响。如果皮肤很白,可能得到的信号质量会比较好,但是如果皮肤比较黑,信号衰减就会非常严重,甚至是呼吸也会影响到测量的准确性和可靠性。

所有的这些都需要大家通过光学的、电子的、机械的科技,再配合可靠的算法,才能消除或者是减弱他们的影响。现在大家觉得不简单了吧?

功耗问题,不需要解释为什么低功耗很重要,我和大家分享一下有哪些方法来解决或者是帮助降低功耗。根据经验有4点可以帮助大家降低测量系统的功耗。首先,要保持LED的脉冲的宽度要尽可能的窄,这样对LED驱动器本身就提出了要求,要求LED驱动器在输出大电流的时候能够快速地开关。因为测量的时候有许多的LED脉冲,为了降低功耗,这个脉冲要窄,LED的开关要非常顺手。

另外,LED的驱动电流要能够根据需要动态地调整。比如说皮肤比较白的时候就要适当降低LED的驱动电流,当皮肤比较黑的时候,就要适当提高LED驱动电流。手表戴的松和紧对LED驱动电流的要求也不一样,所以还要根据手表戴的松紧程度来相应调整LED的驱动电源。所以电路设计上要有动态调整LED电流的能力。

此外,要尽可能地让处理器处于低功耗的休眠状态,这就和电路设计、算法的设计有很大关系。当你在开始设计软件算法的时候就要考虑到功耗问题,并且在开发算法的时候要不停地优化算法。如果算法要不停地进行快速处理与转化,可能功耗就没办法降下来。所以,大家在开始考虑算法的时候,就要想是否要不停地进行快速运算。

我们公司开发的一个提供模组的方案,它可以用来测心率、血氧,未来还能测血压。这个模组中包括了很多东西,首先是有一些光敏器件,用来检测光强的变化,其次,建了一个处理光学的模拟前端,还专门建了光学的滤波器,以及数字的滤波器,这个当中还包括了MCU。其中非常重要的是在芯片里面内建了一个硬件的自动持续控制器,很多需要由软件来控制的逻辑我们都硬件化。芯片里还有一个LED功率自动调节的控制器,这样处理器就不需要不停地读数据、处理数据,绝大部分时间可以属于低功耗的休眠状态,这样能大大降低功耗。

另外,需要强调的是,整个模组的尺寸是6.1毫米×4.1毫米×1毫米(厚),所以还是比较小的模组。

那么,怎么知道所测的东西是否准确呢?一个手表戴在手上,现在测出来的心跳每分钟60跳,怎么知道准不准呢?研发的时候要怎么测试设计和算法,知道他得到的最终结果是不是准备呢?

以POLO公司生产的一款手表来参考,它和医院心电图测试仪的工作原理一样,测量结果非常准确。我们采用业界常用的运动测试模型来测试我们的算法,就是说我可能是先在跑步机上慢慢走一段时间,开始慢跑,再快跑,最后慢慢停下来,这是目前很多做智能手表的公司所采用的方法。有一个被测试者一个手腕上带着POLO公司的手表,另外一个手腕上带着我们公司做的测试模型,两者同时开始测心率。把测量数据同步上传到PC上进行比较。

这是我们测试的结果,这个被测者的心跳变得越来越快,一开始可能每分钟50跳,到后来可能每分钟200跳,心跳是慢慢往上升的,在这种情况下,最容易验证你的算法是不是可靠、准确。最上面和最下面的两条虚线就是他们那个手表测得的数据,上下偏差5%所形成的虚线。也就是说,如果说我的测量结果落在了这两条虚线的中间,就表示我的测量误差在正负5%以内,由此可以看到,绝大部分情况下这个误差都是在正负5%以内的,偶尔会有超过正负5%的情况。

现在,我们还在优化我们的算法,应该很快可以解决这个问题。

 


来源:电子信息产业网            责任编辑:赵宇
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