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生物识别可穿戴产品开发周期详解【www.85058.com】

发布时间:2019-12-12 16:00编辑:技术支持浏览(51)

    原标题:生物识别可穿戴产品开发周期详解

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    设想一下,您正在参加一个计划会议。团队刚刚提出了一些非常棒的想法,他们为新的可穿戴设备设计了一种光学心率传感器,您可以将其添加到您的产品线中。他们都向您求助:我们应该与谁合作开发传感器系统? 突然间您意识到你并不完全确定从哪里着手。

    近日,德州仪器Ryan Kraudel围绕从生物识别可穿戴产品开发周期得到的经验教训发表了自己对光学心率传感器的想法。用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器”分三部分,第一部分:用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器、第二部分:从50多个生物识别可穿戴产品开发周期得到的十大经验教训、第三部分:光学心率传感器技术在可穿戴设备中的新兴医疗应用。

    我们参与了50多个生物识别可穿戴设备项目。 我们的技术应用到目前市场上20多种不同的生物识别可穿戴设备中。我们犯了一些错误,从这些经历中吸取了很多教训,并在此过程中取得了一些成功。以下是我们在整个过程中总结的十大经验教训,在为您的新一代可穿戴设备选择生物识别传感器系统时,您可以作为参考。

    第一部分:用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器

    1.在您开始之前,要证明它是有效的。这可能看起来非常明显,但任何将生物识别可穿戴设备推向市场的人都会告诉您,产品开发周期中最难的部分是让生物识别传感器系统能够很好地满足您的要求。您的起点应该是一个有效的参考设计,类似于图1中的设计。而且不要只在工作台上做测试。把它放在至少20个人身上,看看它与一个合法的基准设备相比是否适用于您的预期用例。另一种选择是测试市场上使用特定供应商技术的其他公司产品。他们的客户对性能感到满意吗?它在测试中的表现如何?

    第一部分重点介绍了这些传感器系统的工作原理,以及如何使用它们进行测量。

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    大部分可穿戴设备采用光电容积脉搏波描记法来测量心率及其他生物计量指标。PPG是一种将光照进皮肤并测量因血液流动而产生的光散射的方法。该方法非常简单,光学心率传感器基于以下工作原理:当血流动力发生变化时,例如血脉搏率或血容积发生变化时,进入人体的光会发生可预见的散射。下图1介绍了光学心率传感器的主要元件和基本工作原理。

    图 1:测试生物识别可穿戴设备的工作参考设计

    图 1:光学心率传感器的基本结构与运行

    2.与了解您的市场并可以满足您要求的技术供应商合作。生物识别可穿戴设备的应用非常广泛。确保您的技术供应商具备在您想要开发的设备上的交付能力和经验。合适的外形、合理的指标、正确的精确度和良好的用户体验都对产品的成功起着巨大的作用。

    光学心率传感器使用四个主要技术元件来测量心率:

    3.与具备生物识别可穿戴设备和光机技术专业知识的技术供应商合作。硬件元件和光学机械设计是精密生物识别可穿戴设备的关键要素。您选择的供应商应具备广泛的硬件和光机专业知识,并且应是评估用于信号处理的模拟前端(AFE)性能方面的专家,如TI AFE4410。他们应该了解光与身体之间的耦合情况,优化血流信号指示,并尽量减少环境噪音。一个强大的团队将确保选定的设备主体位置和外形使用正确的波长。

    •光发射器 - 通常至少由两个光发射二极管构成,它们会将光波照进皮肤内部。

    4.先进的信号提取方法至关重要。由于单个主体的复杂性,所有技术开发人员都必须对信号提取算法有深入的了解,特别是有源信号表征(如图2所示),它可以识别表征可能破坏信号的运动和环境噪声。隔离这些因素和其他因素,使生物识别传感器系统能够报告准确的数据。

    •光电二极管和模拟前端 - 这些元件捕获穿戴者折射的光,并将这些模拟信号转换成数字信号用于计算可实际应用的心率数据。

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    •加速计 - 加速计可测量运动,与光信号结合运用,作为PPG算法的输入。

    图 2:涉及有源信号表征的信号处理至关重要

    •算法 - 算法能够处理来自AFE和加速计的信号,然后将处理后的信号叠加到PPG波形上,由此可生成持续的、运动容错心率数据和其他生物计量数据。

    5.需要高级生物识别测量技术。基本心率测量正迅速成为可穿戴设备的最低要求。更高级的指标将定义未来,因此请仔细查看可从系统获得的指标。它是否支持连续心率或只是定期进行现场测量?它能否提供更高级的指标,如心跳频率间隔(心率变异性[HRV])、呼吸频率或血压? 也许更重要的是,供应商能否向您证明他们能够提供这些指标? 事实往往胜于雄辩。

    光学心率传感器可以测量什么?

    6.与能够正确测试产品的技术供应商合作。当您与供应商合作开发产品的核心组件时,不仅要了解他们如何测试自己的产品,还要了解他们如何在您的设备中测试他们的产品。如果他们提供原型测试服务,那么您的方向就是正确的。但是,请务必询问他们是否可以测试您的希望的用例,如图3所示。他们如何以及在何处进行测试?他们在每轮原型设计中测试了多少人?

    光学心率传感器可生成测量心率的PPG波形并将该心率数据作为基础生物计量值,但是利用PPG波形可以测量的对象远不止于此。尽管很难取得和维护精确的PPG测量结果,但是如果您能够成功获得精确的PPG测量结果,它将发挥强大的作用。高品质PPG信号是当今市场需求的大量生物计量的基础。图2是经过简化的PPG信号,该信号代表了多个生物计量的测量结果。

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    图 2:典型的PPG波形

    图 3:确保在预期的用例上对设备进行广泛的测试。

    下面我们进一步详细解读某些光学心率传感器可以测得的结果:

    7.寻找将生物识别可穿戴设备推向市场的成熟经验。重要的是要了解市场上还有哪些产品(包括您的产品)正在使用您所关注的技术。分析消费者对这些设备的评论可以让您深入了解该组件在您设备中的工作方式。这些产品有多精确? 产品评价是否正面——至少与心率监测和生物识别组件有关?

    •呼吸率 - 休息时的呼吸率越低,通常这表明身体状况越好。

    8.选择具有多学科专业知识的团队。您应该了解供应商团队的技能和专业知识。他们专攻硬件吗? 光学?固件?算法?他们的核心竞争力是什么?

    •最大摄氧量– VO2测量人体可以摄入的最大氧气量,是人们广泛使用的有氧耐力指标。

    9.制造合作伙伴的经验是非常宝贵的。与典型的可穿戴设备相比,设计生物识别可穿戴设备是一个截然不同的项目,主要是因为它其涉及光机械技术。即使您之前设计并制作了活动跟踪可穿戴设备,也不要低估添加光学生物识别技术的复杂性。您应该选择具有大规模生产生物识别可穿戴设备经验的制造商。他们将面临并解决许多其他制造商所没有遇到的未知挑战。

    •血氧水平 - 是指血液中的氧气浓度。

    10.评估知识产权(IP)领域。尽管这是一个相对较新的领域,但生物识别可穿戴设备领域存在大量的专利,而也曾有知名公司也在这一领域发起诉讼。生物识别可穿戴设备的IP领域包括视光机械设计、数据处理、数据评估和可穿戴数据可视化等领域。图4显示了可穿戴设备专利授予的最新趋势。

    •R-R间期- R-R间期是血脉冲的间隔时间;一般而言,心跳间隔时间越长越好。R-R间期分析,可用作压力水平和不同心脏问题的指标。

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    •血压 - 通过PPG传感器信号,无需使用血压计即可测量血压。

    图 4:可穿戴设备专利授权和提交(图片由ipwatchdog.com提供)

    •血液灌注 - 灌注是指人体推动血液流经循环系统的能力,特别是在濒于死亡时流经全身毛细血管床的能力。因为PPG传感器可跟踪血液流动,所以可以测量血流相对灌注率及血液灌注水平的变化。

    希望这能帮助您选择合适的生物识别传感器系统。本系列的下一部分将介绍不同的设备和生物识别传感器系统用例。

    •心效率 - 这是心脑血管健康和身体状况的另一个指标,一般来说,它测量的是心脏每搏的做功效率。

    文章来源:电子工程世界 http://www.eeworld.com.cn/

    光学心率传感器带来的挑战

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    设计可穿戴设备上的光学心率传感器的难度很高,因为设计方法会受到人体运动的很大影响。为了弥补这一点,您需要强大的光力学和信号提取算法。图3说明了您在设计光学心率传感器时可能面临的部分主要挑战。

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    图 3:集成光学心率传感器的主要挑战

    光力学

    下面进一步介绍有关PPG传感器集成的光力学考虑事项:

    •光力学耦合 - 在传感器与人体之间是否能够高效进行双向光导与耦合?使血流信号最大化和向传感器施加噪音的环境噪音最小化,是其中的关键。

    •是否为人体部位使用了正确的波长?不同部位需要不同的波长,因为各部位的生理构造不同,并且环境噪音对不同部位的影响不同。

    www.85058.com,•设计是否使用了多个发射器,它们的间距是否正确?发射器的间距很重要,正确布放才能确保您测量到足够量的正确类型的血流,且测量结果具有较少的伪影。

    •在体育锻炼或身体运动过程中,诸如皮肤与传感器之间的位移量等机械力学作用是否最小?这对许多佩戴可穿戴设备进行活动的常见情况都是个问题,比如跑步、慢跑和健身房锻炼。

    信号提取算法

    下面进一步介绍有关信号提取考虑事项的详细信息:

    •算法是否在多元化的人群中进行过验证?这一点很重要,只有进行过此类验证才能保证设备能够适应多种肤色、不同性别、不同体型和健康状况而正常运行。

    •算法是否有抵抗多种类型运动噪音的强健性?算法必须能够在各种活动期间正常工作,包括步行、跑步、疾跑、健身房训练及打字或开车等日常行为。

    •算法是否能够持续改进,以便能够处理更多用例和新型生物计量?这种技术和可穿戴设备市场正在迅速发展,您必须不断创新,才可满足不断变化的客户需求。

    我希望大家能够通过本篇博客了解一些有关PPG传感器系统工作原理及可测量内容的知识。本系列的下一篇博文将探讨将这种技术集成到各类设备的最佳实践。

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