什么是光学生物传感器存储？第1部分---凯利讯半导体

　　光学传感器是最常见的生物传感器。这个由两部分组成的系列文章提供了如何将光学技术用于生物分析应用的技术背景。本文概述了使用脉冲体积描记器(PPG)波形的反射计量，并描述了工作中的物理和生理原理。第二部分着眼于移动和可穿戴应用中影响光学传感器的常见噪声和误差来源，包括测量中捕获的来自环境的混杂因子的影响以及用户群体中的生理变化。它还提供了可穿戴生物传感器当前功能的总结以及光生物传感应用的未来发展方向。

　　概述：光学生物传感

　　光学方法是植物和动物生物传感最常用的方法之一。例如，来自卫星的遥感设备通常使用反射质量来确定植被的绿色和压力。在医生就诊之前，护士将脉搏血氧仪钳在病人的指尖上，作为生命体征的常规部分。

　　这种广泛的应用反映了光学传感的多功能性，光，相干或非相干，与其通过并被吸收，反射，散射，分散或以其他方式改变的物质相互作用。科学家可以检查光脉冲的大小和形状，它们的光谱内容和偏振，以获得关于光脉冲穿过介质中的分析物的信息。

　　本文重点介绍我们前面提到的第二个例子，使用光电血管容积图(PPG)实时监测血流量。

　　通过PPG进行实时血流量监测

　　体积描记图是一种体积测量。随着血液的流动，一股心血管脉搏从心脏流出，并通过身体传播，定期扩张皮下组织中的动脉和小动脉。PPG使用光来询问组织。由于组织中的血液比周围的组织吸收更多的光，血液量的减少导致反射回来的光的强度增加，或者反向散射。

　　根据光源和光电探测器的相对位置，PPG有两种可能的配置：透射吸收和反射。在透射配置中，光源和传感器位于组织的正对面。在一个反思性的安排，他们可以在同一方。反射配置利用了身体组织的光散射效应，下一节将对此进行讨论。

　　虽然PPG通常是在诊所和医院使用手指夹进行的，但只要能够容易地接近富含血管的组织，尤其是在使用反射配置时，可以在许多其他身体位置获得有效的PPG信号。例子包括额头，外耳道，二头肌或腓肠肌周围的区域，甚至手腕周围的区域。这些替代位置中的一些允许运动器材和可穿戴设备结合不同成功的PPG传感器，因为本系列的第二部分将解释。

　　通过组织的光学测量

　　可见近红外(NIR)光可以穿透几毫米进入人体组织。光线被血液，黑色素，脂肪和水吸收，渗透是有限的。在此范围内，光线主要是散射的，因此会迅速扩散。光组织相互作用取决于不同的组织成分和所用光的波长。这些变化允许PPG信号传达许多信息。

　　背散射光通过脉动动脉血容量来调节，而来自其他组织成分的吸收保持恒定。在简化的观点中，这些导致光电探测器输出中的交流分量与受试者的体积描记信号同步并且成比例，并且DC信号是光源的函数并且在光路中被组织持续吸收(图1)。

　　图1 PPG光电探测器接收的背向散射光。该图显示了使用四种不同强度相同的光源(红，绿，蓝和红外)的数字化光电探测器输出。信号已经被Maxim PPG模拟前端处理以消除噪音。

　　不同波长的光被身体吸收到不同程度。例如，许多PPG设备包括一个或多个绿色LED。绿光很容易被我们的身体吸收，因此专注于绿光减轻了环境光反射的污染。但由于吸收力强，穿透深度也有限，只适用于血液灌注丰富的地区。

　　血红蛋白也强烈地吸收绿光，使其难以深入组织。脉搏血氧仪PPG的医学实施使用近红外光源。红光深入人体，提供丰富的生理信号源。

　　常见的PPG信号伪影

　　PPG信号通常不仅包含通过组织的背散射光，还包含由环境光引起的伪影和与组织不良连接。其他因素也会影响PPG信号的质量。这些包括受试者的皮肤结构，皮肤色素，甚至皮肤温度。先进的PPG集成电路，如MAX30112，包括专门的信号处理和采样方案，以对抗这些伪像中的一些，同时节省运行功耗。

　　环境光污染是可穿戴设备设计师面临的最常见的问题。不仅环境光线不断变化，室内灯光通常会包含跟踪电力线频率(即取决于位置的50或60Hz)的闪烁，该闪烁可能模糊PPG信号的交流分量中携带的信息。

　　运动伪影可能是由于组织和光电探测器间歇接触不良造成的。在受试者运动不能受限的可穿戴设备中，运动伪影可能使得难以测量一些缓慢的生理变化。

　　另一个与PPG有关的问题是可检测信号的大小受到皮肤或皮肤色素黑色素浓度的影响。黑色素通过设计衰减入射光的波长。发现是没有血液供应的表皮层，所以PPG设备的目标总是表皮下。设计师可以通过使用更强的光源，或通过选择不同的光频率，如NIR，在黑色素吸收较少，可以克服由于深色素沉着的弱信号。

　　来自PPG的见解

　　一旦信号处理已经消除了伪影并放大了PPG波形，则使用高级算法来提取和解释其特征。图2显示了一个典型的PPG波形。

　　被称为峰 - 峰间隔的两个连续收缩峰之间的距离表示完整的心脏周期。

　　图2典型的PPG波形

　　收缩幅度表示动脉血流量引起的血容量的变化，与每搏输出量有关，可表示血管收缩或血管舒张，也反映冷敏感性，对麻醉药的反应，失血，低温等。脉搏宽度和脉搏面积也与全身血管阻力相关，这可以反映患者的药物相互作用或血液粘度。

　　增强指数，舒张峰值与收缩峰值之间的比率是主动脉僵硬度的指标。收缩和舒张峰值之间的时间延迟随着受试者的年龄而缩短，并且考虑到受试者的身高，为大动脉硬度提供指示。这两个指标都可以告知对象的心脏健康状况。

　　我们还可以比较来自多个波长的光源的PPG信号，例如通过将红光和红外LED的光吸收通过相同的组织比较以确定其氧饱和度水平。脱氧血红蛋白比氧合血红蛋白更吸收红光，而氧合血红蛋白可以更好地吸收红外线(因此静脉血中的深蓝色相比动脉血)。因此，血液氧化与反射红光和红外光的比例成正比。

　　使用PPG成功和提出的测量包括：

　　心率和心率变化

　　呼吸频率

　　血氧饱和度

　　身体保湿

　　静脉回流疾病的严重程度(静脉曲张)

　　静脉功能

　　冷敏感

　　血压

　　心输出量

　　比较PPG和其他传感方法

　　PPG已被用于测量生理条件的广度。然而，其最具吸引力的特点是其易用性和非侵入性。由于专业PPG电路的进步，光电容积脉搏波检测便携式，低功耗，易于实现。

　　由于PPG和心电图(ECG)都用于测量心脏活动，因此经常进行比较。许多临床研究已经检查了在长期心率变异性(HRV)测量中针对ECG的不同使用场景下PPG的性能。他们普遍发现PPG提供了一个实用的ECG替代方案。尽管如此，应该指出的是，如果光电探测器无法保持与组织的良好接触(由于错误解释的运动伪像)，PPG可能会提供错误的读数。

　　本系列的第2部分将详细讨论可穿戴PPG实现以及其当前和未来功能可能存在的常见错误。

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