近年来，将健康监测系统集成到车辆中引起了人们的广泛关注，旨在应对现代医疗体系带来的挑战，同时提升驾驶安全性。在监测的人体生理参数中，心率是反映整体健康状况和驾驶状态的关键指标。反射式光电容积脉搏波（PPG）传感器提供了一种无感连续监测心率的方法，有望实现与驾驶体验的无缝集成。
据麦姆斯咨询报道，近日，由丹麦南丹麦大学（University of Southern Denmark）和日本东京电机大学（Tokyo Denki University）组成的研究团队提出一种集成在汽车座椅靠背的反射式PPG传感器，可实现透过衣物的驾驶员心率连续监测。该PPG传感器采用创新拓扑结构，将光源置于中央，周围环绕光电探测器，以优化均匀光发射和信号采集，同时减少运动伪影。这项研究分为由12名受试者参与的传感器性能验证和1名受试者参与的纵向实地研究，纵向实地研究涉及1080分钟的多样驾驶条件，展现出反射式PPG传感器的高准确性和可靠性。这项研究为无感车内生理监测提供了可靠的解决方案，解决了现实环境中的关键挑战。这项研究以“Reflective PPG Sensor Measures Heart Rate Through Clothing During Driving”为题发表在IEEE Sensors Journal期刊上。
反射式PPG传感器的核心由两个关键组件构成：光源和光电探测器。光源由9颗高性能发光二极管（LED）组成。这些光电二极管的峰值波长为657 nm，最适合穿透衣物到达皮肤表面。环绕光源的是由28颗硅p-i-n光电二极管组成的光电探测器阵列，负责采集从皮肤漫反射后的光信号。捕获的光信号通过三级电路进行处理：跨阻放大器（TIA）级、带通滤波器级和电压放大级。
图1 反射式PPG传感器的模拟前端
图2展示了该反射式PPG传感器中光电二极管和光源的位置。围绕光源的光电二极管直径为4.2厘米。本研究将光源置于中心，并用光电二极管环绕其周围。这种布局使光电二极管能够从光源周围所有方向收集信号，从而最大限度地捕获反射光，即使在对准不佳或表面反射率低的情况下也能显著提高光探测效果。此外，光电二极管的对称布局引入了光探测的冗余，减少了运动伪影的影响。
图2 反射式PPG传感器拓扑结构照片
反射式PPG传感器安装在驾驶员座椅靠背上。图3展示了反射式PPG传感器在汽车座椅内的空间布置。研究人员使用心电图装置对研究受试者进行监测，作为心率参考数据。为了建立传感器数据与驾驶行为之间的关联，研究人员在车内安装了两颗摄像头。其中一颗摄像头安装于挡风玻璃前用于捕捉街景，而另一颗摄像头则对准受试者采集驾驶员信息（如图4）。
图3 反射式PPG传感器安装于宝马320汽车驾驶座椅靠背上
图4 道路测量过程中采集的数据：街景视图、驾驶员视图、传感器信号（上：原始反射式PPG信号、中：参考心电图信号、下：滤波后反射式PPG信号）
这项研究包括两部分：（1）多名受试者参与验证反射式PPG传感器的性能；（2）进行长时间驾驶以及在压力和疲劳事件下的纵向实地研究。
实验一（传感器性能验证）：为了评估反射式PPG传感器在更广泛的群体中的可靠性和准确性，研究人员开展了涉及12名受试者（包括7名男性和5名女性）的实验。每位受试者的驾驶时间至少为17分钟。
实验二（纵向实地研究）：为了验证反射式PPG传感器在长时间驾驶和多样化环境条件下的功能性，研究人员进行了纵向实地研究。一名健康的29岁受试者被指派在不同道路和天气条件下完成驾驶的任务，跨越多个国家并且驾驶时间很长（共计1080分钟）。该实验中的一部分为，受试者从波兰到丹麦持续560分钟的长途驾驶，期间仅休息两次。这部分研究旨在激发心率的变化和趋势，并评估反射式PPG传感器在心率跟踪方面的性能。
综上所述，这项研究提出了一种专为无缝集成到汽车座椅靠背而设计的反射式PPG传感器，可透过衣物实现无感心率监测。该PPG传感器的创新设计将光源置于中央，周围环绕光电探测器，以确保光线均匀和可靠的信号采集。该PPG传感器的性能和实用性为将健康监测融入日常驾驶开辟了新的可能性，有望提升驾驶安全。这项研究为反射式PPG技术的未来发展及其在互联健康系统中的应用奠定了基础。
论文链接：
https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3514797
