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随着科技的飞速发展，可穿戴设备已成为人们日常生活中不可或缺的一部分。这些小巧轻便的设备不仅能够提供便捷的信息获取方式，更在健康监测领域展现出了巨大的潜力。
本文主要探讨相关可穿戴传感器技术，以及可穿戴设备在血压检测、血糖检测、压力检测以及睡眠质量检测等方面的监测原理与传感器使用。
01
可穿戴传感器件
目前产品里的心率监测、血氧检测、血压检测都借助PPG传感器、ECG传感器得以实现。皮肤温度等可借助温度传感器实现，体动和运动监测可通过加速度传感器实现。 
1.PPG传感器
PPG传感器，全称为光电容积脉搏图（Photoplethysmogram）传感器，是一种利用光学原理来监测血管容积变化的生物传感器。集成的PPG传感器由多个发光二极管（LED）和一个光电探测器（PD）组成，其工作原理是光电探测器测量皮肤表面反射光的变化来形成PPG信号。
在光源照射下，皮肤内的血液容积会发生三种情况：一定量的光被吸收、一定量的光穿透、一定量的光反射。反射光的强度和采集部位（如腕部或指尖）的血液容量会随着心跳的变化而变化。
所测信号可分两种，分别是从皮肤色素沉着，脂肪，肌肉，骨骼等部位吸光度不变的直流成分和从心脏所产生的血容量改变有关的交流成分。探测光照强度与时间关系曲线图称PPG信号， PPG信号各脉冲时间周期受心跳影响，振幅受动脉血液不同成分浓度影响。
PPG主要应用于以下信号检测：
心率监测：PPG传感器可以实时监测心率，对于运动训练、健康管理等非常有帮助。
心率变异性（HPV）分析：通过测量连续心跳间隔的变化，可以评估自主神经系统的活动。
血氧饱和度（SPO2）测量：结合红光和红外光的PPG传感器可以估算血液中氧气的饱和度。
睡眠监测：通过监测心率和心率变异性的变化，配合体动检测结果，可以评估睡眠质量和睡眠阶段。 比较有意思的是结合多光谱技术还可以设计多光谱PPG。多波长光电容积脉搏图（MW-PPG）传感技术被认为是优于单波长光电容积脉搏图（SW-PPG）传感技术的。然而，由于传感探测器的可用性限制，许多先前的研究只能使用传统的笨重且昂贵的光谱仪作为探测器，因此无法将MW-PPG技术应用于日常生活。
国立台北科技大学的团队开发了一种芯片级的多波长光电容积脉搏图（MW-PPG）传感器，使用了创新的芯片光谱仪，目标是面向可穿戴应用。结合信号处理方法，该设备可用于稳定地提取PPG信号，信噪比（S/N）提高了高达50%，可实现血氧饱和度、血压等多参数的测量。
PPG传感器的工艺和材料选择具备较大的多样性，可以不基于传统硅基工艺得以实现，因此具有低成本、多设计自由度等优势。
2.ECG传感器
ECG传感器，即心电图（Electrocardiogram）传感器，是一种用来监测和记录心脏电活动的生物传感器。它能够检测心脏的电信号，并将这些信号转换成图形，以便于分析心脏的健康状况和功能。
ECG传感器的工作原理基于心脏细胞的电生理特性。心脏的每一次搏动都是由心肌细胞的电活动引起的。当心肌细胞去极化和复极化时，会产生微小的电信号。ECG传感器通过监测电极检测到由心脏电活动产生的电位差并将信号滤波、放大后结合算法分析得出心率等生理信息。
ECG和PPG虽然都可以获取心脏活动信号，但是其原理不同，ECG主要借助心脏电信号探测，PPG借助光电信号探测。ECG和PPG各有优劣，PPG在形态因素多样性和生物特征多样性方面表现突出。ECG比PPG对于生物电信号的探测速度更快，且不容易收到体表环境和体表差异等因素的影响。因此在心率监测等检测精度上更高。
3.柔性可穿戴式传感器
下一代可穿戴式 PPG 系统，迫切需要实现高探测率、快速响应时间和超薄、柔性，可拉伸的器件模组设计，免去笨重电源装置的自供电操作也利于即时检测应用。
柔性可拉伸PPG传感器是一种新型的光电传感器，具有以下优点：
佩戴舒适度高：柔性材料使其能够贴合皮肤，佩戴舒适，不易引起皮肤不适。
可拉伸性好：可适应人体皮肤的运动和变形，即使在运动或其他身体活动时也能保持良好的测量精度。
测量精度高：更好的和皮肤、组织贴合，能够准确测量心率、血氧饱和度等生理参数。
高集成度：可直接集成到各种可穿戴设备中，例如智能贴片、耳机、指环等，方便用户随时随地进行健康监测。
潜在应用广泛：除了可穿戴设备之外，还可用于集成到手术器械中进行辅助监测。
4.体液传感器
可穿戴体液检测器是一种新兴的医疗监测设备，它能够通过分析体液（如汗液、唾液、泪液等）来监测和评估个体的健康状况。这些设备通常集成在可穿戴设备中，如智能手表、健康追踪器、智能服装等，为用户提供实时的健康。
常见的体液包括汗液、人体组织液（ISF）、唾液等。这一技术还可以结合POCT等发展，实现把穿戴设备往病理诊断等医疗意义的方面更进一步。 常见的体液传感器是汗液传感器。可穿戴汗液生物传感器能够实时分析汗液成分，通过汗液中的生物标志物的分析提供有关健康状况的有洞察力的信息。
02
不同生理信号的探测原理
1.心率监测原理
目前来说，心率监测原理有三种：
光电反/投射测量法：通过LED光源发出一束光打穿透皮肤照射至血管处，测量反射/透射的光信号。因为血液对特定波长的光有吸收作用，每次心脏泵血时，该波长都会被大量吸收，以此就可以确定心跳。
心电信号测量法：通过测量心肌收缩的电信号来判断使用者的心率情况，原理和心电图类似。
电脉冲测量法：因为每次心跳都会引起身体的震动，通过高精度的传感器捕捉这种震动，再经过信号处理就可以得到心跳。
其中健康手环中基于第一种光电反射式的方法的产品比较多。其主要依靠一个LED光源和光电探测器组成的光电容积描技术 (PPG) 传感器，基于第二原理可以得到更高精度心率信息，对应心电图（ECG）传感器。PPG这是一种在可穿戴设备行业测量心率的常用传感器技术。简单来说，PPG 传感器通过向手腕皮肤直接发射光线，然后测量血液流动反射或散射的光量来估算心率。PPG 传感器收集的原始数据随后由专用算法进行解读，并在此过程中转化为准确的心率估计值。这需要去除任何会影响数据从而无法提供准确测量结果的 “噪音”。
2.血氧监测
血氧监测的实现同样可以通过PPG传感器得以实现。通过PPG传感器的心率监测过程，血氧信号也会同步根据心脏的跳动而脉动。因此，通过信号处理分析提取血液脉冲成分（AC信号），并忽略所有非血液信号（DC信号），并结合外部电路、算法处理可得到血氧信息。
3.血压监测
有一类可穿戴的血压测量设备是无袖带血压测量的移动设备，其主要通过光电容积、心电图估算血压值和手指红外感应、超声等原理获得血压值的,其测量的精度与可靠性有待考证。
基于无袖带式的血压测量设备的原理较多，其中一个实现方案是结合心电图和PPG传感器的脉搏波传导时间法，脉搏波从心脏传导至PPG信号测试点的时间差,称PTT的血压测量模型,通常使用心电图作为PTT的起点,指尖记录的PPG信号作为PTT终点。
通过识别心电图和PPG主波峰的信号得到两个主波峰的时间间隔。运用线性回归方程校正系数计算出收缩压,因需要随着人体活动不断对模型进行校准,计算舒张压的性能较差。
4.血糖监测
传统的有创血糖监测是基于电化学原理的有创血糖测量，即基于电流计和电压计原理。此外还可基于光传感器原理进行测量，光学葡萄糖传感器使用一种凝血素物质和荧光试剂来探测不同浓度的溶液。这类检测都需要扎手指，病人的用户体验感差，因此后来微创测量技术逐渐兴起。
微创式血糖测量包括针刺式和激光采血式。针刺式采用皮下传感器原理，激光式使用激光取代穿透微针头实现取血，减少了针头接触带来的交互感染的发生，疼痛较轻。
5.睡眠质量检测
睡眠质量检测是一个多传感+算法融合的过程。可穿戴设备通过内置的加速度传感器和光电传感器来监测用户的睡眠状态。
加速度传感器能够获取用户的体动特征，判断用户是否处于睡眠状态；而光电传感器则通过心率、心电信号来分析睡眠质量。
不同探测器分别对采集的心电信号和体动信号进行滤波处理与算法分析，获得睡眠时长、体动次数、心率变化等参数。再通过睡眠分期算法的分析，得出用户的睡眠质量报告。
6.压力检测
压力检测是评估用户心理状态和生活压力的重要指标。可穿戴设备通常采用心率变异性（HRV）和压力传感器来实现压力检测。HRV传感器通过分析用户心率的变化来评估压力水平，而压力传感器则直接测量用户皮肤表面的压力变化。
研究表明，结合这两种传感器技术的可穿戴设备在压力检测方面具有较高的准确性和灵敏度。包括压力监测在内的心理状态检测是十分有意义的，尤其是对于有精神障碍的人来说。
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