光學式心跳量測簡介(PPG, Photoplethysmography)

     

     




右圖：Moto360
資料來源：Motorola官網




         從穿戴式手環、手錶的先期耕耘者Fitbit, Jawbone, Motor 360到Apple Watch上市後，穿戴式手環手錶一直都是十分熱烈討論的話題。而功能也從早期僅能量測走路的步數、睡眠品質到目前已經可以一併量測你的心跳甚至是你的體脂率。當市面上的手表及手環大都具備心跳量測功能之後，心跳量測的準確與否將會是想要購買此產品的消費者所關心的重點。目前心跳量測的手法可分為兩大類，一種是生物阻(Bio-Impedence)抗量測，另一種就是本文要介紹的光體積變化掃描圖(PPG, Photoplethysmography)。我們就來看一下光體積變化掃描圖是怎麼做到心跳量測的：

        如下圖(1)，光在穿過人體時會被不同的組織吸收衰減，人體的組織組成假定應該是固定的，因此光的衰減量應該是固定的。但血管中的血液會隋著心臟的跳動有明顯的體積變化，此一周期性的體積變化就會產生不一樣的衰減量。因此，當光穿透皮膚的組織時，我們藉著觀察光的強度衰減，可以得到一個具有周期性、上下起伏的波形圖。如假定這個波形是穩定的, 我們將此波形中, 波峰與波峰間的間隔時間除以60就可以簡單得到我們每分鐘的心跳數(當然實際情況會來的比較復雜，本文就不在此詳細描述)。

圖(1) 光體積變化掃描圖

       目前的光體積變化掃描圖的量測方式有兩種，一種為穿透式(圖(2))及反射式(圖(3)), 穿透式會受限於量測區域，僅適合用在手指、耳垂等地方的心跳量測(穿越太厚的組織，光強度會衰減太多，造成訊號量測不易)；而反射式的使用位置則不較受限，此為目前多數的手表所採用的量測方式。

 圖(2) 穿透式

圖(3) 反射式

        在初步了解光體積變化掃描圖的原理後，我們可以進一步的追究什麼樣的光適合用來做心跳的量測。如下圖(4)，我們可以發現一個有趣的現象： 血液(Whole Blood)在屬於綠光的波長時, 比起人體的其它組織比如皮膚(Skin)、脂肪(Fat)等有較大的吸收係數， 因此採用綠光相對於其他顏色的可見光, 更能觀察出心跳所造成的光強度衰減。這或許可以從市面上大多數的手錶手環都是採用綠色的LED配合photo sensor進行心跳量測的原因。

         

        但綠色光對於心跳量測也不全然都有好處，下圖(4)中我們可以看到黑色素(Melanin)的吸收係數在大部份可見光波長都比血液來的高，因此常有文獻研究指出，穿戴式手環手錶的心跳量測，對於膚色比較深的人來說，是比較不準確的。

   

圖(4) 人體組織對不同波長的光吸收率

        以上就是光學式心跳量測簡介，期能讓您有個初步的認識。

參考資料：

1. http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/371/1995/20120129
2. http://idnps.com/basics/principle-laser/3-lasers-and-soft-tissue-interaction-%E2%85%A0/
3. http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10916-010-9506-z