光學傳感器代表了最常見的生物傳感器類型。這個由兩部分組成的系列文章提供了有關光學技術如何用于生物分析應用程序的技術背景。本文概述了如何對脈沖體積描記器（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和可穿戴應用中的光學傳感器的常見噪聲和錯誤源，包括測量中捕獲的環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前功能以及光學生物傳感應用的未來方向。

概述：光學生物傳感

光學方法是對植物和動物進行生物傳感的最常用方法之一。例如，衛星的遙感設備通常使用反射質量來確定植被的綠色度和壓力。護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步驟。

廣泛的應用范圍反映了光感測的多功能性，光是相干或非相干的，會與它穿過的物質發生相互作用，并被吸收，反射，散射，分散或以其他方式改變。科學家可以檢查光脈沖的大小和形狀，其光譜含量和偏振，以得出有關光脈沖所經過的介質中被分析物的信息。

本文重點介紹我們前面提到的第二個示例，其中使用光電容積描記（PPG）實時監視血液流動。

通過PPG實時監測血流

體積描記圖是體積測量值。隨著血液的流動，心血管脈搏波會從心臟發出并在人體中傳播，從而使皮下組織中的動脈和小動脈周期性地擴張。PPG使用光訊問組織。因為組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導致反射回或散射的光強度增加。

根據光源和光電探測器的相對位置，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側。在反射布置中，它們可以在同一側。反射配置利用了人體組織的光散射效應，這將在下一節中討論。

盡管PPG通常在診所和醫院中使用手指夾執行，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，就有可能在許多其他身體位置獲得有效的PPG信號。例如前額，外耳道，二頭肌或小腿肌肉周圍的區域，甚至手腕周圍的區域。這些替代位置中的某些位置允許運動器材和可穿戴設備成功集成PPG傳感器，這將在本系列的第二部分中進行說明。

通過組織的光學測量

可見光（NIR）可以穿透幾毫米進入人體組織。滲透受到限制，因為光被血液，黑色素，脂肪和水吸收。在該范圍內，光主要被散射，因此迅速擴散。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。這些變化使PPG信號可以傳達許多信息。

背向散射的光通過脈動動脈血量進行調制，而來自其他組織成分的吸收保持恒定。從簡化的角度來看，這些會導致光電探測器輸出中的AC分量與受試者的體積描記信號同步并成比例，而DC信號則是光源和光路中組織不斷吸收的函數（圖1）。

圖1?PPG的光電探測器接收到的反向散射光。該圖顯示了使用四個強度相同的不同光源（紅色，綠色，藍色和紅外）的數字化光電探測器輸出。Maxim PPG模擬前端已對信號進行了處理，以消除噪聲。

不同波長的光被人體吸收的程度不同。例如，許多PPG設備都包含一個或多個綠色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境反射光的污染。但是，由于吸收能力強，滲透深度也受到限制，因此僅適用于大量血液灌注的區域。

血紅蛋白還強烈吸收綠光，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學實施使用NIR光源。紅光深入人體，并提供豐富的生理信號源。

常見的PPG信號偽像

PPG信號通常不僅包含通過組織的反向散射光，而且還包含環境光和與組織的不良連接所引入的偽影。其他因素也會影響PPG信號的質量。這些包括受試者的皮膚結構，皮膚色素，甚至皮膚溫度。先進的PPG集成電路，例如MAX30112，包括專門的信號處理和采樣方案，以應對其中的一些偽像，同時節省工作功耗。

可穿戴設備設計人員面臨的最常見問題是環境光污染。不僅環境光在不斷變化，室內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），這會使PPG信號的AC分量中攜帶的信息模糊。

運動偽影可能是由與組織和光電探測器的間歇性不良接觸引起的。在無法限制對象運動的可穿戴設備中，運動偽影可能會使測量某些緩慢的生理變化變得困難。

PPG的另一個問題是，可檢測的信號強度受皮膚或皮膚色素中黑色素濃度的影響。通過設計，黑色素會減弱入射光的波長。發現是沒有血液供應的表皮層，因此PPG設備的目標始終是表皮下。設計人員可以通過使用更強的光源或通過選擇不同的光頻率（如NIR）來克服由于黑色素沉著而產生的微弱信號，在該頻率下黑色素的吸收性較低。

PPG的見解

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

兩個連續的收縮峰之間的距離（稱為峰-峰間隔）代表完整的心動周期。

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圖2?典型的PPG波形

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

擴張指數，舒張峰和收縮峰之間的比率是主動脈僵硬的指標。收縮期和舒張期峰值之間的時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，可提供大動脈僵硬度的指標。這兩個指標都可以告知受試者的心臟健康。

我們還可以比較來自一個以上波長的光源的PPG信號，例如，通過將光與通過同一組織的紅色和紅外LED的吸收進行比較，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，與動脈血相比，靜脈血中的深藍色調）。因此，血液氧合與反射的紅光和紅外光之比成正比。

使用PPG進行成功和建議的測量包括：

• 心率和心率變化
• 呼吸頻率
• 血氧飽和度
• 身體補水
• 嚴重的靜脈回流疾病（靜脈曲張）
• 靜脈功能
• 感冒敏感性
• 血壓
• 心輸出量

將PPG與其他感應方法進行比較

PPG已用于測量生理狀況的廣度。但是，其最吸引人的品質是其易用性和非侵入性。由于專用PPG電路的進步，光電容積描記法具有便攜性，低功耗且易于實現的特點。

由于PPG和心電圖（ECG）均用于測量心臟活動，因此經常將它們進行比較。許多臨床研究已經針對長期心率變異性（HRV）測量檢查了針對心電圖在不同使用情況下PPG的性能。他們通常發現PPG提供了一種實用的ECG替代產品。盡管如此，應該注意的是，如果光電探測器無法保持與組織的良好接觸（由于誤解的運動偽像），PPG可能會提供錯誤的讀數。

本系列的第2部分將詳細討論可穿戴PPG實施可能遇到的常見錯誤，以及它們當前和將來的功能。

陳恩恩（Ian Chen）是Maxim Integrated工業與醫療業務部門的執行董事。

參考

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編輯：hfy