腕戴式健身手环和智能手表正大举纳入心率监测功能，半导体厂顺应这一发展趋势，推出高效能整合型光传感器方案，以及经过临床实验的心率算法，协助穿戴式装置开发人员克服准确度、耗电量、尺寸与厚度等设计挑战。

腕戴式健身手环和智能手表正从基本的加速计式“智能型计步器”，迈向纳入心率监测器等生物辨识传感功能的新一代产品发展。带动这股趋势的背后原因，是制造商为了在成长迅速的穿戴装置市场中寻求差异性，以及消费者对想要达到更有效的训练，以提升健身效果与体能。

即时而持续的心率监测有助于刺激消费者根据心率区的反馈来调整自身的健身方式。将心率监测套用在下一代穿戴装置产品中时，设计人员面临多项挑战，包括心率测量准确度、运动时的追踪准确度、验证诸多独立个体效果、缩小穿戴式设计尺寸与厚度，以及延长电池寿命。

穿戴式系统设计人员可选择非侵入式的光或电技术。电技术一般是用胸带，靠皮肤上的两个接触点来测量心率。这种方法通常很准确，但终端用户必须在胸部绑上附有电池和无线通讯的笨重束带，所以可能会不舒服又不方便。光技术则较理想，因其排除不舒服的胸带，而是用腕带来整合光发射器和传感器。

腕型光学心率监测　采用PPG技术

发光二极管(LED)的红外线(IR)光照在用户手腕的皮肤上，如图1所示，照进皮肤的光会被组织、骨头、静脉和动脉吸收、打散和反射，这些微弱的反射是靠光传感器来侦测。

组织和骨头所反射的光为非时变性(Time-Invariant)，所形成的等级只有直流(DC)。当心跳动时，动脉血液所反射的光会改变并形成交流(AC)信号。进阶数位信号处理会去掉DC信号，并从微弱的AC信号计算心率，这套处理技术会产生光体积描记图(PPG)信号。

PPG信号在光学设计中的准确度，是取决于光发射器波长、系统在这些波长中的灵敏度、发射器和传感器的间距、LED所发出的光量、发射器数目，以及系统杂讯。

腕式心率监测设计考量

对某个用户理想的心率监测系统不见得适用于另一个用户，因为个别手腕的肤色和其他生理特征会有所不同。设计人员必须小心选择，并利用可能的调整技术来配合广泛消费群。如果无法达到此点可能会造成顾客不满，以及穿戴式产品的退货率偏高。

发射器的波长

穿戴式装置光发射器使用黄色和绿色LED皆可(表1)，但要在提高成本和耗电上稍加权衡。调整技术则可用来选取最佳的信号，以计算每个独特个人的心率。

皮肤光耦合度

手腕和穿戴式装置间的光信号耦合良好很重要，因为气隙会降低准确度，有弹性腕带就能戴得服贴而舒适。假如带子太紧，血流可能会受限，使准确度变差；假如带子太松，则会乱晃。单颗LED系统有个普遍的问题是，腕带可能需要往手臂上方多挪动一点或稍微转动，才能发挥最佳的效能。

用两颗LED摆在光传感器的两端则能尽量减少配戴带子和歪斜的问题。当腕带一边对皮肤耦合良好，另一边有气隙时，在运动中可能就会发生歪斜问题。穿戴式设计以使用三颗LED为宜，以便为形形色色的终端用户确保最高的准确度。例如Scosche Rhythm Plus健身手环就是用两颗绿色LED和一颗黄色LED摆成三角形，如图2所示。

 

发射器的光能

发射器的光能主要取决于LED的驱动电流、电压、脉冲启动时间、半角(Half-Angle)和发光强度。只要有光传感器系统能控制其中多个参数，软体就能为每个独特个人自行组构到最适合的状态，例如顺向电压高的绿色LED或许必须在LED的电压和电力输出上有所取舍。

LED电压较高并非都行得通，所以可以用较长的脉冲启动时间来提高发射器光能，同时保持在LED正常运作参数内，自动传感功能可以调整LED的驱动电流和/或LED启动时间，以最佳化独特个人的反射信号。这种自动DC传感有助于系统的模拟数位转换器(ADC)把动态距离要求降到最低，并把信号置于最适当的距离来侦测微弱AC心率信号。

运动时追踪准确度

市面上大多数腕戴型装置的最大缺点，是在用户运动时无法准确追踪心率。穿戴装置一般都会采用加速器，只要配合先进的信号处理来减少移动假影(Motion Artifact)，就能发挥作用。这些算法可以透过加速器数据来排除被杂讯破坏的心率样本，或是主动消除杂讯。

尽管有这些算法，心率信号还是有可能临时失效。调整式算法是靠品质评级来分辨传感器的数据什么时候无效，使估算技术能在用户运动时提供一贯的追踪准确度。以代表不同肤色、种族、年龄和体重的大量用户样本来验证算法也很重要。

缩小终端产品尺寸/厚度

在穿戴式设计中加入心率传感器需要较大空间。目前有很多心率传感穿戴装置的设计是用分离式大型光电二极管搭配模拟前端(AFE)和微控制器。模拟前端包括LED驱动器、模拟数位转换器(ADC)、模拟滤波与控制。把较小型的高灵敏度光电二极管跟模数转换器整合起来，加上模拟滤波与LED驱动器，这样就能大幅降低噪声，使用较少位数的模数转换器，并且缩小体积。

提高电池寿命

心率监测器耗电最多的部分一般都是LED取样用电，以及为了减少移动假影的信号处理。耗电关键因素则是所使用的取样速率。当运动的每分钟心跳数(BPM)偏高时，心率监测就要有较快的取样速率才能准确，根据每分钟心跳数，利用动态算法来改变取样速率，这样就能保持准确并且尽量降低用电。

对样本插补值(Interpolation)也比调高取样速率更能降低用电。能动态改变LED驱动电流的传感器可以自动传感DC等级，以降低用电并改善效能。在系统设计中动态使用一颗、两颗或三颗LED也能保持高效能，并尽量减少耗电。

高整合方案降低设计挑战

为了使光学心率监测在快速成长的消费型穿戴装置市场上成为不可或缺的功能，半导体厂无不使出浑身解数。然而，把光学心率监测解决方案设计到穿戴产品中有许多技术上的挑战。借由高效能的整合式光传感解决方案搭配上经临床研究验证的心率算法，开发人员就能设计出强大的穿戴式系统，使腕型心率监测装置的电池寿命尽量拉长，实体尺寸则尽量缩小。