Am Handgelenk tragbare Fitness-Armbänder und Smartwatches entwickeln sich vom einfachen "Smart-Schrittzähler" auf der Grundlage eines Beschleunigungsmessers dahin, auch biometrische Abtastung wie die Überwachung des Herzschlags zu beinhalten nDieser Trend wird von Hersteller vorangetrieben, die nach einer Differenzierung im schnell wachsenden Wearables-Markt suchen und von informierten Konsumenten, die ihre Leistung und Fitness mit effektiverem Training maximieren wollen.
Kontinuierliche Überwachung der Herzfrequenz in Echtzeit hilft, Konsumenten zu motivieren, ihre Workouts auf der Grundlage des Feedbacks im Bereich der Herzfrequenz anzupassen. Die Entwickler dieser Wearables der nächsten Generation stehen mehreren Herausforderungen gegenüber, wenn sie in ihren Produkten eine kontinuierliche Überwachung der Herzfrequenz implementieren wollen:
-
Messgenauigkeit der Herzfrequenz
-
Tracking-Genauigkeit beim Trainieren
-
Bewertung derLeistung von vielen einzigartigen Individuen
-
Die Größe und Dicke bei der Konstruktion des Wearables reduzieren
-
Die Lebensdauer der Batterie erhöhen
System-Entwickler von Wearables haben die Wahl zwischen dem Einbau von nicht-invasiven, optischen oder elektrischen Techniken. Elektrische Techniken verwenden meistens Brustgurte mit zwei Kontakten auf der Haut, um die Herzfrequenz zu messen. Diese Methode ist normalerweise genau, der Endbenutzer muss jedoch ein sperriges Band um die Brust herum tragen mit einer Batterie und kabelloser Kommunikation, was unbequem und unangenehm sein kann. Optische Techniken werden bevorzugt, da sie das unbequeme Brustband vermeiden, indem sie einen optischen Emitter und einen Sensor verwenden, die in das Armband eingearbeitet sind.
Prinzipien der optischen Überwachung der Herzfrequenz am Handgelenk
Wie in Abbildung 1 gezeigt, fällt infrarotes (IR) Licht von einem LED auf die Haut am Handgelenk des Benutzers. Das Licht, das in die Haut eindringt, wird absorbiert, gestreut und von Gewebe, Knochen, Venen und Arterien zurückgeworfen. Ein optischer Sensor dient dazu, diese schwachen Reflektionen zu erkennen. Von Gewebe und Knochen zurückgeworfenes Licht hat keine Zeitverzögerung und führt zu einem Niveau ausschließlich aus Gleichstrom. Wenn das Herz pumpt, ändert sich das vom arteriellen Blut zurückgeworfene Licht und erzeugt ein Signal aus Wechselstrom. Fortgeschrittene digitale Signalverarbeitung entfernt das Gleichstromsignal und berechnet die Herzfrequenz aus dem schwachen Wechselstromsignal. Diese Verarbeitungstechnik erzeugt das, was als Photoplethysmographie-Signal (PPG) bekannt ist.
Viele Faktoren tragen zu genauen PPG-Signalen in einer optischen Konstruktion bei. Diese Faktoren umfassen die Wellenlänge des/der optischen Emitter/s, die Empfindlichkeit des Systems bei diesem Wellenlängen, die Abstände zwischen Emitter und Sensor, die von der LED erzeugte Lichtmenge, die Anzahl der Emitter und das Rauschen im System. Das ideale System zur Überwachung der Herzfrequenz für einen Benutzer kann bei einem anderen weit weniger gut funktionieren, wegen Unterschieden in der Pigmentierung der Haut und anderen physiologischen Eigenschaften des individuellen Handgelenks. Entwickler müssen sorgfältig auswählen und wo möglich anpassbare Techniken verwenden, um gut mit einer breiten Konsumentenbevölkerung zu arbeiten. Dies nicht zu tun kann zu unzufriedenen Kunden und einer hohen Umtauschrate von Wearable-Produkten führen. Lassen Sie uns jetzt einige der entscheidenden Aspekte beim Entwerfen von Herzfrequenz-Überwachungssystemen betrachten.
Wellenlänge des Emitters
Typische Herfrequenzüberwachungssysteme an der Fingerspitz oder am Ohr verwenden Infrarotlicht (IR)-Emitter in der Bande zwischen 850 nm bis 940 nm. IR-Emitter sind für Lösungen am Handgelenk nicht ideal, da sich im Handgelenk nicht dieselben blutreichen Kapillargefäße nah unter der Hautoberfläche befinden, wie in der Fingerspitze oder am Ohr. Es hat sich herausgestellt, dass grüne (525 nm) Wellenlängen am Handgelenk bei Menschen mit heller Haut eine bessere Leistung bieten. Leider kann dunkle Haut grüne Wellenlängen absorbieren. Es hat sich gezeigt, dass gelbe Wellenlängen bei Haut mit dunkler Pigmentierung am besten funktionieren. Für die beste Leistung bei der breitesten Anzahl von Benutzern können grüne und gelbe LEDs gleichzeitig verwendet werden mit geringen Abstrichen wegen Erhöhung von Kosten und Stromverbrauch. Eine anpassbare Technik dient dazu, das beste Signal auszuwählen, um für jedes einzelne Individuum die Herzfrequenz zu berechnen.
"Opto-Koppeln" zur Haut
Es ist wichtig, eine gute Kopplung der optischen Signale zwischen dem Handgelenk und den dem Wearable-Gerät zu haben, da Luftspalten die Genauigkeit verringern. Ein flexibles Armband gewährleistet einen engen, aber bequemen Sitz. Wenn das Band zu eng ist, ist die Kopplung zwar verbessert, aber der Blutfluss kann eingeschränkt sein, was zu einer Verschlechterung der Genauigkeit führt. Wenn das Band zu locker ist, kann es sich frei bewegen. Ein bekanntes Problem bei Systemen mit nur einer LED ist, dass
das Armband für optimale Messleistung höher oben am Arm angepasst oder leicht gedreht werden muss. Die Verwendung von zwei LEDS an entgegengesetzten Seiten des optischen Sensors verringert Probleme, die durch die Position oder Neigung des Bandes hervorgerufen werden. Durch Neigung hervorgerufene Probleme entstehen während des Trainings, wenn eine Seite des Bandes eine gute Hautkopplung hat, während die andere eine Luftspalt hat. Für den Entwurf von Wearables werden drei LEDs empfohlen, um die höchstmögliche Genauigkeit für einen großen Querschnitt an Endbenutzern zu gewährleisten. Das Hochleistungs-Scosche Rhythm Plus Fitness-Band verwendet z.B. zwei grüne und eine gelbe LED in einer dreieckigen Anordnung.
Lichtenergie des Emitters
Die Lichtenergie des Emitters wird in erster Linie bestimmt von Antriebsstrom der LED, Spannung, Pulse-an Zeit, Halb-Winkel und Lichtintensität. Ein optisches Sensorsystem zu haben, das eine Kontrolle über mehrere dieser Parameter aktiviert, ermöglicht der Software, sich selbst für jedes einzelne Individuum optimal zu konfigurieren. Grüne LEDs habe z.B. eine Durchlass-Spannung, die einen Abstrich bei der LED-Spannung und Energieabgabe erfordern kann. Eine höhere Spannung für die LED ist nicht immer möglich, es kann also die Puls-an Zeit verlängert werden, um die Lichtenergie des Emitters zu erhöhen während man innerhalb der normalen Betriebsparameter der LED bleibt. Eine Selbsterkennungsfunktion kann den Strom der LED-Treiber und/oder die LED-an-Zeit anpassen, um das zurückgeworfene Signal für ein bestimmtes Individuum zu optimieren. Diese automatische Gleichstromerkennung hilft, die Anforderungen an den dynamischen Bereich des analog-zu-digital-Konverters des Systems zu verringern und bringt das Signal in den optimalen Bereich zum Erkennen des schwachen Wechselstrom-Signals der Herzfrequenz.
Tracking-Genauigkeit beim Trainieren
Die größte Schwäche der meisten kommerziell erhältlichen Handgelenk-Wearables besteht darin, dass sie die Herzfrequenz nicht genau verfolgen können während der Benutzer trainiert. Es ist eine große Herausforderung, Bewegung und physiologische Artefakte beim Training adäquat zu kompensieren. Geschwindigkeitsmesser werden üblicherweise in Wearables verwendet und können effektiv sein, wenn sie mit fortschrittlicher Signalverarbeitung kombiniert werden, um Bewegungsartefakte zu verringern. Diese Algorithmen können Daten von Beschleunigungsmessern verwenden, um Herzfrequenz-Abtastungen zurückzuweisen, die durch Rauschen korrumpiert wurden oder das Rauschen aktiv beseitigen. Trotz dieser Algorithmen kann das Herzfrequenzsignal zeitweilig verloren gehen. Ein adaptiver Algorithmus, der durch den Einsatz von Qualitätseinstufung erkennt, wann die Sensor-Daten ungültig sind, ermöglicht den Schätzungstechniken, die eine konsistente Tracking-Genauigkeit zu bieten, wenn der Benutzer trainiert. Es ist auch wichtig, den Algorithmus an einer großen Bandbreite von Benutzern zu validieren, die verschiedenen Hauttöne, Ethnien, Alters- und Gewichtsgruppen vertreten. &alt;/span>
Die Größe und Dicke des Endprodukts reduzieren Herzfrequenz-Sensoren hinzuzufügen erfordert mehr Platz in der Konstruktion eines Wearables. Viele der vorhandenen Wearable-Konstruktionen zur Überwachung der Herzfrequenz verwenden große, diskrete Fotodioden kombiniert mit einem analogen Frontend (AFE) und MCU. Das AFE umfasst die LED-Treiber, A/D-W, analoges Filtern und Steuerung. Eine kleinere Hochempfindlichkeits-Fotodiode mit dem A/D-W, zusammen mit Filter- und LED-Treibern integriert, kann ein viel geringeres Grundrauschen haben, weniger A/D-W-Bits und eine kleinere Grundfläche verwenden. Der optische Sensor von Silicon Labs Si114x integriert z.B. Hochempfindlichkeits-Fotodioden, eine 17-Bit A/D-W, analoge Filterung für geringes Rauschen, bis zu drei dynamisch konfigurierbare LED-Treiber und eine 12C-Schnittstelle in einem kompakten 2x2 mm klaren QFN-Paket. Eine typisches AFE in einem 3x3 mm Paket mit diskreter Fotodiode in einem 2x2 mm Paket hat eine 3x größere Grundfläche. Die Lebensdauer der Batterie erhöhen Der größte Stromverbraucher bei einer Herzfrequenz-Überwachung ist normalerweise der LED-Abtastungsstrom und die Signalverarbeitung für die Verringerung der Bewegungsartefakte. Ein Schlüsselfaktor beim Stromverbrauch ist die verwendete Abtastungsfrequenz. Eine genaue Überwachung der Herzfrequenz kann eine schnellere Abtastungsfrequenz während des Training bei einer hohen Anzahl von Schlägen pro Minute (BPM) erfordern. Die Verwendung eines dynamische Algorithmus, der die Abtastungsfrequenz auf der Grundlage der BPM ändert, kann die Genauigkeit aufrechterhalten und dabei den Energieverbrauch minimieren. Auch die Interpolation der Abtastungen kann einen geringeren Energieverbrauch ermöglichen als das Erhöhen der Abtastungsfrequenz. Sensoren, die die Ströme ihrer LED-Treiber dynamisch ändern können, können das Gleichstrom-Niveau selbst feststellen, um den Stromverbrauch zu reduzieren und die Leistung zu verbessern. Eine, zwei oder drei LEDs in der System-Konstruktion dynamisch zu verwenden, kann ebenfalls eine hohe Leistung aufrechterhalten, während der Stromverbrauch minimiert wird. Fazit Eine optische Überwachung der Herzfrequenz in einem Wearable-Produkt zu konstruieren ist mit vielen technischen Herausforderungen verbunden. Eine integrierte, optische Hochleistungs-Sensorlösung wie die Silicon Labs’ Si114x Sensor-Familie, kombiniert mit in klinischen Studien validierten Herzfrequenz-Algorithmen, ermöglicht es Entwicklern, robuste Wearable-Systeme zu konstruieren, die die Batterielebensdauer maximieren und die physische Größe von am Handgelenk zu tragenden Herzfrequenz-Überwachungsgeräten minimieren. Silicon Labs hat eine großen Schritt unternommen, um die optische Herzfrequenz-Überwachung zu einem festen Bestandteil des schnell wachsenden Markts für Wearable-Geräte zu machen.