光學(xué)傳感器代表了最常見(jiàn)的生物傳感器類型。這個(gè)由兩部分組成的系列文章提供了有關(guān)光學(xué)技術(shù)如何用于生物分析應(yīng)用程序的技術(shù)背景。本文概述了如何對(duì)脈沖體積描記器（PPG）波形使用反射法，并描述了工作中的物理和生理原理。第2部分介紹了影響移動(dòng)和可穿戴應(yīng)用中的光學(xué)傳感器的常見(jiàn)噪聲和錯(cuò)誤源，包括測(cè)量中捕獲的環(huán)境造成的混雜因素的影響以及用戶群體之間的生理變化。它還概述了可穿戴生物傳感器的當(dāng)前功能以及光學(xué)生物傳感應(yīng)用的未來(lái)方向。

概述：光學(xué)生物傳感

光學(xué)方法是對(duì)植物和動(dòng)物進(jìn)行生物傳感的最常用方法之一。例如，衛(wèi)星的遙感設(shè)備通常使用反射質(zhì)量來(lái)確定植被的綠色度和壓力。護(hù)士將脈搏血氧儀夾在患者指尖，這是在就診之前采取生命體征的常規(guī)步驟。

廣泛的應(yīng)用范圍反映了光感測(cè)的多功能性，光是相干或非相干的，會(huì)與它穿過(guò)的物質(zhì)發(fā)生相互作用，并被吸收，反射，散射，分散或以其他方式改變?？茖W(xué)家可以檢查光脈沖的大小和形狀，其光譜含量和偏振，以得出有關(guān)光脈沖所經(jīng)過(guò)的介質(zhì)中被分析物的信息。

本文重點(diǎn)介紹我們前面提到的第二個(gè)示例，其中使用光電容積描記（PPG）實(shí)時(shí)監(jiān)視血液流動(dòng)。

通過(guò)PPG實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血流

體積描記圖是體積測(cè)量值。隨著血液的流動(dòng)，心血管脈搏波會(huì)從心臟發(fā)出并在人體中傳播，從而使皮下組織中的動(dòng)脈和小動(dòng)脈周期性地?cái)U(kuò)張。PPG使用光訊問(wèn)組織。因?yàn)榻M織中的血液比周圍組織吸收更多的光，所以血液量的減少會(huì)導(dǎo)致反射回或散射的光強(qiáng)度增加。

根據(jù)光源和光電探測(cè)器的相對(duì)位置，PPG可能有兩種配置：透射吸收和反射。在透射配置中，光源和傳感器在組織的直接相對(duì)側(cè)。在反射布置中，它們可以在同一側(cè)。反射配置利用了人體組織的光散射效應(yīng)，這將在下一節(jié)中討論。

盡管PPG通常在診所和醫(yī)院中使用手指夾執(zhí)行，但只要容易接近富含血管的組織，特別是在使用反射配置時(shí)，就有可能在許多其他身體位置獲得有效的PPG信號(hào)。例如前額，外耳道，二頭肌或小腿肌肉周圍的區(qū)域，甚至手腕周圍的區(qū)域。這些替代位置中的某些位置允許運(yùn)動(dòng)器材和可穿戴設(shè)備成功集成PPG傳感器，這將在本系列的第二部分中進(jìn)行說(shuō)明。

通過(guò)組織的光學(xué)測(cè)量

可見(jiàn)光（NIR）可以穿透幾毫米進(jìn)入人體組織。滲透受到限制，因?yàn)楣獗谎?，黑色素，脂肪和水吸收。在該范圍?nèi)，光主要被散射，因此迅速擴(kuò)散。光組織相互作用取決于不同的組織成分以及所用光的波長(zhǎng)。這些變化使PPG信號(hào)可以傳達(dá)許多信息。

背向散射的光通過(guò)脈動(dòng)動(dòng)脈血量進(jìn)行調(diào)制，而來(lái)自其他組織成分的吸收保持恒定。從簡(jiǎn)化的角度來(lái)看，這些會(huì)導(dǎo)致光電探測(cè)器輸出中的AC分量與受試者的體積描記信號(hào)同步并成比例，而DC信號(hào)則是光源和光路中組織不斷吸收的函數(shù)（圖1）。

圖1?PPG的光電探測(cè)器接收到的反向散射光。該圖顯示了使用四個(gè)強(qiáng)度相同的不同光源（紅色，綠色，藍(lán)色和紅外）的數(shù)字化光電探測(cè)器輸出。Maxim PPG模擬前端已對(duì)信號(hào)進(jìn)行了處理，以消除噪聲。

不同波長(zhǎng)的光被人體吸收的程度不同。例如，許多PPG設(shè)備都包含一個(gè)或多個(gè)綠色LED。綠光很容易被我們的身體吸收，因此專注于綠光可以減輕環(huán)境反射光的污染。但是，由于吸收能力強(qiáng)，滲透深度也受到限制，因此僅適用于大量血液灌注的區(qū)域。

血紅蛋白還強(qiáng)烈吸收綠光，使其難以更深地滲透到組織中。PPG用于脈搏血氧飽和度的醫(yī)學(xué)實(shí)施使用NIR光源。紅光深入人體，并提供豐富的生理信號(hào)源。

常見(jiàn)的PPG信號(hào)偽像

PPG信號(hào)通常不僅包含通過(guò)組織的反向散射光，而且還包含環(huán)境光和與組織的不良連接所引入的偽影。其他因素也會(huì)影響PPG信號(hào)的質(zhì)量。這些包括受試者的皮膚結(jié)構(gòu)，皮膚色素，甚至皮膚溫度。先進(jìn)的PPG集成電路，例如MAX30112，包括專門的信號(hào)處理和采樣方案，以應(yīng)對(duì)其中的一些偽像，同時(shí)節(jié)省工作功耗。

可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)人員面臨的最常見(jiàn)問(wèn)題是環(huán)境光污染。不僅環(huán)境光在不斷變化，室內(nèi)光通常還包含閃爍的閃爍，該閃爍跟蹤電力線的頻率（即50或60Hz，取決于位置），這會(huì)使PPG信號(hào)的AC分量中攜帶的信息模糊。

運(yùn)動(dòng)偽影可能是由與組織和光電探測(cè)器的間歇性不良接觸引起的。在無(wú)法限制對(duì)象運(yùn)動(dòng)的可穿戴設(shè)備中，運(yùn)動(dòng)偽影可能會(huì)使測(cè)量某些緩慢的生理變化變得困難。

PPG的另一個(gè)問(wèn)題是，可檢測(cè)的信號(hào)強(qiáng)度受皮膚或皮膚色素中黑色素濃度的影響。通過(guò)設(shè)計(jì)，黑色素會(huì)減弱入射光的波長(zhǎng)。發(fā)現(xiàn)是沒(méi)有血液供應(yīng)的表皮層，因此PPG設(shè)備的目標(biāo)始終是表皮下。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)使用更強(qiáng)的光源或通過(guò)選擇不同的光頻率（如NIR）來(lái)克服由于黑色素沉著而產(chǎn)生的微弱信號(hào)，在該頻率下黑色素的吸收性較低。

PPG的見(jiàn)解

一旦信號(hào)處理消除了偽像并放大了PPG波形，就可以使用高級(jí)算法來(lái)提取和解釋其功能。圖2?顯示了典型的PPG波形。

兩個(gè)連續(xù)的收縮峰之間的距離（稱為峰-峰間隔）代表完整的心動(dòng)周期。

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圖2?典型的PPG波形

收縮幅度表明由動(dòng)脈血流引起的血量變化，并且與中風(fēng)量有關(guān)，這可能表明血管收縮或血管舒張，還反映出冷敏性，對(duì)麻醉藥的反應(yīng)，失血，體溫過(guò)低等。脈寬和脈搏面積還與全身血管阻力相關(guān)，其可能反映患者的藥物相互作用或血液粘度。

擴(kuò)張指數(shù)，舒張峰和收縮峰之間的比率是主動(dòng)脈僵硬的指標(biāo)。收縮期和舒張期峰值之間的時(shí)間延遲隨受試者的年齡而縮短，并且在受試者身高一定的情況下，可提供大動(dòng)脈僵硬度的指標(biāo)。這兩個(gè)指標(biāo)都可以告知受試者的心臟健康。

我們還可以比較來(lái)自一個(gè)以上波長(zhǎng)的光源的PPG信號(hào)，例如，通過(guò)將光與通過(guò)同一組織的紅色和紅外LED的吸收進(jìn)行比較，以確定其氧飽和度水平。脫氧血紅蛋白比氧合血紅蛋白對(duì)紅光的吸收更大，而氧合血紅蛋白可以更好地吸收紅外線（因此，與動(dòng)脈血相比，靜脈血中的深藍(lán)色調(diào)）。因此，血液氧合與反射的紅光和紅外光之比成正比。

使用PPG進(jìn)行成功和建議的測(cè)量包括：

• 心率和心率變化
• 呼吸頻率
• 血氧飽和度
• 身體補(bǔ)水
• 嚴(yán)重的靜脈回流疾?。o脈曲張）
• 靜脈功能
• 感冒敏感性
• 血壓
• 心輸出量

將PPG與其他感應(yīng)方法進(jìn)行比較

PPG已用于測(cè)量生理狀況的廣度。但是，其最吸引人的品質(zhì)是其易用性和非侵入性。由于專用PPG電路的進(jìn)步，光電容積描記法具有便攜性，低功耗且易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。

由于PPG和心電圖（ECG）均用于測(cè)量心臟活動(dòng)，因此經(jīng)常將它們進(jìn)行比較。許多臨床研究已經(jīng)針對(duì)長(zhǎng)期心率變異性（HRV）測(cè)量檢查了針對(duì)心電圖在不同使用情況下PPG的性能。他們通常發(fā)現(xiàn)PPG提供了一種實(shí)用的ECG替代產(chǎn)品。盡管如此，應(yīng)該注意的是，如果光電探測(cè)器無(wú)法保持與組織的良好接觸（由于誤解的運(yùn)動(dòng)偽像），PPG可能會(huì)提供錯(cuò)誤的讀數(shù)。

本系列的第2部分將詳細(xì)討論可穿戴PPG實(shí)施可能遇到的常見(jiàn)錯(cuò)誤，以及它們當(dāng)前和將來(lái)的功能。

陳恩恩（Ian Chen）是Maxim Integrated工業(yè)與醫(yī)療業(yè)務(wù)部門的執(zhí)行董事。

參考

Nakajima K，Tamura T，Miike H，使用數(shù)字濾波技術(shù)通過(guò)光體積描記法監(jiān)測(cè)心率和呼吸率，Med Eng Physics 1994；18（5）：365-72。

Moore D，Maher T，Kingston V，Shanik G，使用光體積描記法評(píng)估靜脈功能，Ir J Med Sci 1982；151（1）：308-12。

Lees T，Lambert D，與慢性靜脈功能不全相關(guān)的皮膚變化導(dǎo)致四肢靜脈回流的模式，《英國(guó)外科雜志》。1993； 80（6）：725-8。

劉健，閆波，戴偉，丁新，張Y，周娜，多波長(zhǎng)光體積描記法提取皮膚動(dòng)脈搏動(dòng)，Biomedical Optics Express 7（10）：4313-4326

Weinschenk S，Beise R，Lorenz J，深呼吸測(cè)試和5分鐘短期記錄中的心率變異性（HRV）：耳光體積描記法與ECG測(cè)量的一致性，在343位受試者中，歐洲應(yīng)用生理學(xué)雜志（2016）116： 1527-1535

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