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光学心率测量:科学健身的引导者
发布时间:2018/5/15 10:21:00    新闻来源:中国知识产权报/中国知识产权资讯网

    新闻背景

 

  随着人们生活水平的提高,越来越多的人开始追求更健康的生活方式。在经过一天繁重紧张的工作之后,在健身房中挥汗如雨、放飞自我成为时下一种潮流。在注重强身健体、缓解压力的同时,更多的人开始推崇科学健身这一理念。

 

  心率是生命体征的重要参数之一,同时也能直观地体现运动效果,因此市面上出现了集成各种心率传感器,并能在运动中实时监测心率、反馈给用户以提升训练效率的智能穿戴设备,其最常采用的传感器技术为光电容积脉搏波描记法。

 

  从穿戴设备的便捷性和功能的简单性考虑,具备心率测量功能的智能手表或手环最常采用的传感器技术为光电容积脉搏波描记法(PPG)。

 

  PPG的原理是使发光二极管(LED)发射的光射入皮肤,再利用光敏传感器接收从皮肤中反射回的光,而反射光相比入射光会产生衰减。在测量部位相对于测量设备没有大幅运动的前提下,皮下的肌肉、骨骼等对光的吸收基本不变,但是血液由于心脏脉动而一直处于流动状态,因此其对光的吸收会一直变化。当通过技术手段将光转换成电信号时,提取其中实时变化的信号,就能反映出血液流动的特征,进而反映出心率的变化。进入皮肤组织的绿光大部分会被血红细胞吸收,因此绿光作为光源得到的信号更好,信噪比更低,目前大部分穿戴设备采用绿光作为光源。

 

  专利申请活跃

 

  笔者在中国专利文摘数据库(CNABS)和德温特世界专利索引数据库(DWPI)对基于光学心率检测技术的类似手表的可穿戴装置进行检索,截至2018321日,全球与该领域直接相关的专利申请共700件。该领域的年度专利申请量变化大致可分为3个阶段:第一阶段是从1970年至1999年,专利申请数量较少,处于技术起步阶段;第二阶段是从2000年至2009年,这一阶段的专利申请量共计93件,进入技术快速发展期;第三阶段是从2010年至今,这一阶段的专利申请量共计570余件,其中2014年和2015年的申请量最大,分别为121件和126件,这表明该阶段已经进入技术全面发展期。这一阶段关于光学心率检测技术的中国专利申请量已达270件,几乎占该阶段全球申请量的一半,这体现出申请人非常重视中国市场的专利布局,对其发展前景十分看好,纷纷抢占这个新兴市场。

 

  从申请人角度进行统计,该领域提交专利申请数量最多的是精工爱普生(74件),紧随其后的是Fitbit59件)、皇家飞利浦(28件)和三星(27件)。从专利申请数量来看,该领域暂未出现申请量遥遥领先、掌握绝对优势的申请人。从申请人所属地来看,排名前10位的申请人均为国外企业,因此可见国外企业研发能力突出,国内外仍存在一定差距。

 

  技术方向明晰

 

  虽然光学心率检测技术受到热捧,但是在运动中利用该技术测量心率必须克服对测量精度产生影响的基础问题,例如相对移动、汗液影响、光线干扰、肤色纹身影响等。笔者对该领域专利申请进行分析,发现业内已经关注并着力于解决上述问题。

 

  测量设备与皮肤之间的相对移动会影响心率测量精度。专利申请号为CH2010000034W的相关技术提出了通过提高表带的静摩擦系数防止测量装置与皮肤之间的相对移动;专利申请号为CN201610892442.0的相关技术提出在检测心率时对表带进行自动充气,以使测量装置贴紧用户的皮肤,防止两者之间发生相对移动。

 

  上述技术手段虽能保证测量装置与皮肤之间的相对固定,但是会导致汗液积聚不能及时挥发从而影响用户舒适度的问题。汗液积聚造成的另一更为严重的问题则是雾化光线传感器的检测窗口,使LED的检测光发生不必要的折射和反射,进而影响测量精度。基于此,专利申请号为US2016143584A1的相关技术提出在表带上设置一系列凹槽以及连接凹槽的多个贯穿孔,由此促进汗液挥发,提高用户舒适度。专利申请号为CN201710102696.2的相关技术提出利用镶嵌于测量装置周围的多孔玻璃吸附汗液提高测量精度。

 

  当光线射入皮肤时,只有一小部分被反射回光线传感器,这其中实际反映心脏收缩导致的血流量改变的信号分量更少,而环境光线干扰会直接影响该信号分量的采集。基于此,专利申请号为CN201610284612.7的相关技术提出在测量装置面对皮肤一侧上包含凹面或凸面形状的透镜,以使光线朝向皮肤中的特定深度处聚焦从而提高光电检测器的收集效率。专利申请号为CN201611202934.9的相关技术提出手表式终端的主体包括从后盖中心突出的部分,该突出部分紧密地贴附到手腕皮肤,由此阻挡环境光线干扰。

 

  需要注意的是,利用突出部分遮挡光线的同时会对局部皮肤造成压迫,过多的接触压力会阻碍血液重新充满被压迫区域的毛细血管,从而导致信号减弱,出现漂白效应。基于此,专利申请号为CN201380032906.5的相关技术提出了在光线传感器周围设置高于光线传感器表面的框架,利用高度差阻挡环境光线射入传感器以克服光线干扰。

 

  人类拥有多种不同的肤色,其对光的吸收也各不相同。深色皮肤对绿/黄光的吸收较多,但如前文所述,基于信号更好、信噪比更低的考虑,目前大部分穿戴设备均采用绿光作为光源,这就限制了透过深色皮肤准确测量心率的能力。如果皮肤上存在纹身,则也存在透过纹身的皮肤较难准确测量心率的问题。基于此,专利申请号为CN201611202934.9的相关技术提出感测单元包括绿光发射器和黄光发射器,黄光发射器输出的黄光透射到比绿光更深的区域,这可以从具有厚皮肤的身体或者具有深肤色的身体收集精确的生物信号。

 

  光学心率测量技术的不断革新和发展,必将克服测量精度、用户体验、普适性等方面的技术壁垒。人们对于健康的追求是一个永恒的话题,光学心率测量技术将使这一追求以更简单的方式实现。(王磊)

 

 

(编辑:蒋朔)

 

 

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