近年來，將健康監測系統集成到車輛中引起了人們的廣泛關注，旨在應對現代醫療體系帶來的挑戰，同時提升駕駛安全性。在監測的人體生理參數中，心率是反映整體健康狀況和駕駛狀態的關鍵指標。反射式光電容積脈搏波（PPG）傳感器提供了一種無感連續監測心率的方法，有望實現與駕駛體驗的無縫集成。
據麥姆斯咨詢報道，近日，由丹麥南丹麥大學（University of Southern Denmark）和日本東京電機大學（Tokyo Denki University）組成的研究團隊提出一種集成在汽車座椅靠背的反射式PPG傳感器，可實現透過衣物的駕駛員心率連續監測。該PPG傳感器采用創新拓撲結構，將光源置于中央，周圍環繞光電探測器，以優化均勻光發射和信號采集，同時減少運動偽影。這項研究分為由12名受試者參與的傳感器性能驗證和1名受試者參與的縱向實地研究，縱向實地研究涉及1080分鐘的多樣駕駛條件，展現出反射式PPG傳感器的高準確性和可靠性。這項研究為無感車內生理監測提供了可靠的解決方案，解決了現實環境中的關鍵挑戰。這項研究以“Reflective PPG Sensor Measures Heart Rate Through Clothing During Driving”為題發表在IEEE Sensors Journal期刊上。
反射式PPG傳感器的核心由兩個關鍵組件構成：光源和光電探測器。光源由9顆高性能發光二極管（LED）組成。這些光電二極管的峰值波長為657 nm，最適合穿透衣物到達皮膚表面。環繞光源的是由28顆硅p-i-n光電二極管組成的光電探測器陣列，負責采集從皮膚漫反射后的光信號。捕獲的光信號通過三級電路進行處理：跨阻放大器（TIA）級、帶通濾波器級和電壓放大級。
圖1 反射式PPG傳感器的模擬前端
圖2展示了該反射式PPG傳感器中光電二極管和光源的位置。圍繞光源的光電二極管直徑為4.2厘米。本研究將光源置于中心，并用光電二極管環繞其周圍。這種布局使光電二極管能夠從光源周圍所有方向收集信號，從而最大限度地捕獲反射光，即使在對準不佳或表面反射率低的情況下也能顯著提高光探測效果。此外，光電二極管的對稱布局引入了光探測的冗余，減少了運動偽影的影響。
圖2 反射式PPG傳感器拓撲結構照片
反射式PPG傳感器安裝在駕駛員座椅靠背上。圖3展示了反射式PPG傳感器在汽車座椅內的空間布置。研究人員使用心電圖裝置對研究受試者進行監測，作為心率參考數據。為了建立傳感器數據與駕駛行為之間的關聯，研究人員在車內安裝了兩顆攝像頭。其中一顆攝像頭安裝于擋風玻璃前用于捕捉街景，而另一顆攝像頭則對準受試者采集駕駛員信息（如圖4）。
圖3 反射式PPG傳感器安裝于寶馬320汽車駕駛座椅靠背上
圖4 道路測量過程中采集的數據：街景視圖、駕駛員視圖、傳感器信號（上：原始反射式PPG信號、中：參考心電圖信號、下：濾波后反射式PPG信號）
這項研究包括兩部分：（1）多名受試者參與驗證反射式PPG傳感器的性能；（2）進行長時間駕駛以及在壓力和疲勞事件下的縱向實地研究。
實驗一（傳感器性能驗證）：為了評估反射式PPG傳感器在更廣泛的群體中的可靠性和準確性，研究人員開展了涉及12名受試者（包括7名男性和5名女性）的實驗。每位受試者的駕駛時間至少為17分鐘。
實驗二（縱向實地研究）：為了驗證反射式PPG傳感器在長時間駕駛和多樣化環境條件下的功能性，研究人員進行了縱向實地研究。一名健康的29歲受試者被指派在不同道路和天氣條件下完成駕駛的任務，跨越多個國家并且駕駛時間很長（共計1080分鐘）。該實驗中的一部分為，受試者從波蘭到丹麥持續560分鐘的長途駕駛，期間僅休息兩次。這部分研究旨在激發心率的變化和趨勢，并評估反射式PPG傳感器在心率跟蹤方面的性能。
綜上所述，這項研究提出了一種專為無縫集成到汽車座椅靠背而設計的反射式PPG傳感器，可透過衣物實現無感心率監測。該PPG傳感器的創新設計將光源置于中央，周圍環繞光電探測器，以確保光線均勻和可靠的信號采集。該PPG傳感器的性能和實用性為將健康監測融入日常駕駛開辟了新的可能性，有望提升駕駛安全。這項研究為反射式PPG技術的未來發展及其在互聯健康系統中的應用奠定了基礎。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3514797
