Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Optyczny sensor pulsu dla biometrycznych urządzeń noszonych

ghost666 16 Cze 2018 12:33 420 1
  • Optyczny sensor pulsu dla biometrycznych urządzeń noszonych
    Sensory optyczne są coraz częściej używane w noszonych urządzeniach biometrycznych. Większość urządzeń noszonych fotopletyzmografy (PPG) do pomiaru pulsu i innych parametrów biometrycznych.

    PPG wykorzystuje światło - pada ono na skórę, a poprzez pomiar rozproszonego światła mierzy się przepływ krwi. Oczywiście, jest to ogromne uproszczenie, ale systemy te działają wykorzystując fakt, że światło, które rozprasza się na przepływie krwi w sposób przewidywalny i skorelowany. Wraz z zmianą dynamiki przepływu krwi zmienia się sposób rozpraszania, co oznacza że na podstawie zmierzonego rozproszenia światła odtworzyć można m.in. puls oraz ilość przepływającej krwi. Na rysunku po lewej stronie pokazano uproszczony schemat budowy takiego układu, pokazujący wszystkie podstawowe elementy sensora.

    Elementy optycznego sensora bicia serca:

    Emiter optyczny - zazwyczaj składa się on z dwóch diod LED, które oświetlają powierzchnię skóry.
    Detektor optyczny - najczęściej fotodioda z dedykowanym analogowym torem pomiarowym.
    Akcelerometr - potrzebny jest do pomiaru ruchu, pomiary te są skorelowane z pomiarami optycznymi i wykorzystywane w algorytmach PPG.
    Algorytm - kluczowym elementem systemu jest także algorytm, który na podstawie danych z sensora optycznego i akcelerometry generuje stały strumień danych biometrycznych.

    Jakie dokładnie pomiary prowadzić może tego typu sensor? Podstawowym pomiarem jest rytm bicia serca, ale tego rodzaju układy mogą wyczytać z zmienności rozpraszania światła an skórze o wiele więcej. Nie jest to proste, by otrzymać stabilne i precyzyjne dane, ale jeżeli zrealizuje się system poprawnie, to urządzenie takie ma możliwość dostarczania różnego rodzaju danych biometrycznych na podstawie przebiegu PPG, takiego jak pokazany poniżej, po prawej stronie. Na przebiegu oznaczono kilka typowych monitorowanych parametrów.

    Optyczny sensor pulsu dla biometrycznych urządzeń noszonych
    System pozwala na pomiar:

    * Tempa oddechu - im niższe spoczynkowe tempo oddechu tym, generalnie, lepsza kondycja




    * VO2 max - maksymalna pojemność tlenu, jaką na jednym oddechu może wykorzystać dany człowiek, także jest miarą wydajności fizycznej organizmu
    * SpO2 - poziom natlenienia krwi, który mówi o tym ile krew przenosi krwi po naszym organizmie
    * Interwał R-R - jest to czas pomiędzy poszczególnymi uderzeniami serca, im bardziej zróżnicowany, tym lepiej. Pomiar tego czasu wykorzystuje się do monitorowania np. poziomu stresu i innych problemów z sercem.
    * Ciśnienie krwi - możliwy jest pomiar ciśnienia krwi, bez wykorzystywania opaski, dzięki wykorzystaniu sensora PPG.
    * Perfuzja krwi - tempo przepływu krwi przez tkanki ciała.
    * Wydajność kardiologiczna - wskaźnik ogólnego zdrowia naszego serca jak i ogólnej kondycji naszego ciała.

    Wyzwania

    Projektowanie optycznych sensorów biometrycznych, zwłaszcza w urządzeniu noszonym, jest niezwykle trudne, między innymi z powodu czułości pomiaru na ruch. Aby skompensować konieczne jest odpowiednie zaprojektowanie układu optomechanicznego oraz stworzenie algorytmu ekstrakcji kluczowych danych z pomiaru.

    Optomechanika

    Poniżej znajduje się lista najważniejszych problemów, związanych z projektowaniem optomechanicznej części urządzenia biometrycznego:

    * Sprzężenie optomechaniczne, czyli wydajne przekierowanie światła z emitera na skórę oraz zebranie rozproszonego światła. Krytyczne jest zmaksymalizowanie sygnału związanego z przepływem krwi oraz zminimalizowanie wpływu zewnętrznych czynników (np. światło słoneczne) na pomiar.
    * Dostosowanie długości fal światła do lokalizacji w ciele. Czy lokalizacja sensora w danej lokalizacji powoduje, że konieczne jest zastosowanie konkretnej długości fali oświetlającego światła, aby osiągnąć najlepsze rezultaty pomiaru.
    * Czy emitery w systemie są odpowiednio rozmieszczone? W wielu aplikacjach odpowiednie rozmieszczenie emiterów światła względem siebie może dawać precyzyjniejszy pomiar i zmniejszenie liczby artefaktów pomiarowych spowodowanych ruchami ciała.
    * Czy układ jest sztywny? System musi zapewniać minimalne przemieszczenie względne sensora i skóry w czasie pomiaru. Jest to niezwykle istotne, szczególnie, że tego rodzaju urządzenia często wykorzystywane są w opaskach fitnessowych, które monitorują pracę serca w czasie uprawiania ćwiczeń fizycznych.

    Algorytmy ekstrakcji danych

    Poniżej wymieniono z kolei problemy związane z tworzeniem odpowiedniego algorytmu dla systemu PPG:

    * Czy stworzony algorytm przetestowany został na szerokiej populacji? Konieczne jest upewnienie się, że algorytm działa dla ludzi o różnym kolorze skóry, dla obu płci, różnych typów budowy ciała oraz różnej kondycji fizycznej.
    * Czy algorytm odporny jest na szum generowany podczas ruchu człowieka? Krytyczne jest, aby algorytm działał poprawnie w czasie wykonywania przez człowieka różnych czynności, takich jak chodzenie, bieganie, ćwiczenia fizyczne, ale także takich jak prowadzenie auta czy inne, bardziej codzienne czynności.
    * Czy algorytm można ulepszać? Istotne jest ciągłe optymalizowanie systemu, gdyż technologia systemów noszonych cały czas idzie do przodu i konieczne jest ciągłe dodawanie funkcji do systemu, aby sprostać wymaganiom stawianym przez klientów.

    Jeśli podoba się Wam taka tematyka, to w postaram się o kolejne artykuły poświęcone tematyce systemów biometrycznych i integracji ich z urządzeniami elektroniki noszonej - zegarkami, opaskami, słuchawkami itp.

    Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2018/05/03/optical-heart-rate-sensors-for-biometric-wearables#

  • #2 25 Cze 2018 21:26
    Frog_Qmak
    Poziom 25  

    Ciekawe i pozwalające dowiedzieć się czegoś więcej, poza samą elektroniką - oby więcej takich :)

  Szukaj w 5mln produktów