獲取可靠的傳感器數(shù)據(jù)很復(fù)雜。例如，光學(xué)心率傳感器實(shí)際上是在感應(yīng)電流的變化。心跳導(dǎo)致動(dòng)脈血量與每個(gè)脈沖同步變化。體積的變化會(huì)改變光在穿過活組織時(shí)吸收和反射的量。當(dāng)該光離開組織并進(jìn)入光電探測器時(shí)，它會(huì)改變輸出電流。通過創(chuàng)建一個(gè)精心設(shè)置適當(dāng)系列“多米諾骨牌”的傳感系統(tǒng)，電流傳感器變成了心率傳感器。

這就是大多數(shù)傳感器的工作方式。傳感器通常進(jìn)行深?yuàn)W的電氣測量（電容、阻抗、電流、電壓）。但是通過一個(gè)精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一個(gè)感興趣的物理事件（加速度、壓力、腳步聲、距離）被用來改變那個(gè)測量值。了解系統(tǒng)構(gòu)造后，我們就可以將變化解釋為物理參數(shù)，同時(shí)假設(shè)傳感系統(tǒng)中的其他一切都保持不變或至少受到良好控制。

但是，如果多米諾骨牌并非都在設(shè)計(jì)師的控制之下呢？

本文將以光學(xué)心率傳感器為例說明傳感器數(shù)據(jù)可靠性面臨的挑戰(zhàn)。然而，傳感器質(zhì)量的復(fù)雜性適用于大多數(shù)傳感器，而不僅僅是光學(xué)傳感器。

了解光路

光路是光從光源（發(fā)射器）到檢測器（接收器）的路徑。路徑跨越一種或多種介質(zhì)，這些介質(zhì)的任何變化都可能相互作用并影響檢測器的光特性。因此，接收到的光封裝了沿整個(gè)光路的介質(zhì)中的所有變化。

對(duì)于光學(xué)心率傳感器，光來自一個(gè)或多個(gè) LED，并瞄準(zhǔn)活組織。在到達(dá)組織之前，光線必須穿過空氣，有時(shí)還要穿過一層蓋玻片。空氣、蓋玻片和組織表面是三種不同的光學(xué)介質(zhì)。同樣，組織不是同質(zhì)的，可以建模為具有不同折射率的連續(xù)光學(xué)介質(zhì)層。

在具有不同光學(xué)特性的任何兩種介質(zhì)的界面處，光可以被吸收（衰減）、反射（散射）到第一種介質(zhì)中，或者傳輸?shù)降诙N介質(zhì)中。圖 1 簡單地顯示了光在離開 LED 后通過不同介質(zhì)時(shí)可以走的許多路徑。

圖 1. 光離開 LED 并穿過不同介質(zhì)后的路徑示例。

我們并不關(guān)心所有可能的光路；只有那些在光電探測器處結(jié)束的光路才與光學(xué)傳感相關(guān)。心率感應(yīng)之所以起作用，是因?yàn)檫@些介質(zhì)之一，即毛細(xì)血管，會(huì)隨著時(shí)間的推移與心率同步地改變音量。這種變化會(huì)影響吸收和反射的光量。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須確保大多數(shù)光從 LED 到光電探測器的路徑也與毛細(xì)管相互作用。

當(dāng)光可以在不與毛細(xì)管相互作用的情況下到達(dá)光電探測器或沿光路發(fā)生意外變化時(shí)，數(shù)據(jù)可靠性會(huì)受到影響。值得注意的是，蓋板玻璃上方的每一種介質(zhì)都超出了設(shè)計(jì)師的控制范圍，一些光學(xué)特性甚至?xí)S著時(shí)間而改變。將光電探測器電流的任何變化解釋為心率的變化將是一種簡化。以下部分將介紹光路穿過的介質(zhì)的變化以及它們?nèi)绾斡绊懝怆娞綔y器電流。

污垢對(duì)蓋板玻璃和其他衰減器的影響

蓋玻片上的污垢和污垢在實(shí)際應(yīng)用中可能是不可避免的。它們主要通過減少可能到達(dá)組織的 LED 光和探測器接收的光來衰減光電探測器電流。對(duì)于心率傳感，重要信息是在周期性而不是信號(hào)的整體幅度中攜帶的。因此，只要發(fā)射器足夠強(qiáng)，一些衰減就不會(huì)導(dǎo)致任何信息丟失。然而，如果感測配置使用多個(gè) LED 或多個(gè)波長，則每個(gè) LED 和/或波長的光強(qiáng)度可能不會(huì)受到相同比例的影響。

這個(gè)討論可以擴(kuò)展到涵蓋設(shè)計(jì)師控制之外的其他光衰減因素。這些因素包括頭發(fā)、皮膚色素和蓋玻片的顏色變化。每種介質(zhì)都用于在兩個(gè)方向上衰減通過它的光，并且每種介質(zhì)都可能比其他介質(zhì)更能影響某些波長的光。

改變氣隙或路徑長度

圖 2 描繪了一個(gè)光學(xué)心率傳感器。皮膚表面與光學(xué)元件（光源和光電探測器）之間的距離通常稱為氣隙。

光可以在被皮膚表面散射 （ I r ） 或穿過某些組織層 （ I ） 之后進(jìn)入光電探測器。只有I的光路可能會(huì)受到組織變化的影響，因此可能包含有用的信息。因此，聲音心率傳感器必須通過傾向于將光源和光電探測器之間的分離以及它們相關(guān)的機(jī)械外殼設(shè)計(jì)來最小化I r的幅度。在這樣做時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)氣隙的大小做出假設(shè)，而實(shí)際上他們無法完全控制。當(dāng)氣隙變大時(shí)，I和I r因?yàn)楣怆娞綔y器現(xiàn)在離得更遠(yuǎn)了，所以會(huì)變得更弱更難檢測。與此同時(shí)，更多直接從皮膚表面反射的光現(xiàn)在可以進(jìn)入光電探測器。這兩個(gè)因素都會(huì)降低傳感器數(shù)據(jù)的信噪比，從而降低任何派生信息的可靠性。

圖 2. 在心率傳感器的光路中，氣隙會(huì)降低信噪比，從而更難獲得可靠的傳感器數(shù)據(jù)。

此外，與污垢和污垢不同，氣隙也可以周期性變化。例如，當(dāng)受試者劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器和目標(biāo)組織之間的機(jī)械耦合可能會(huì)隨著有節(jié)奏的運(yùn)動(dòng)而變化。這將在不受毛細(xì)管脈動(dòng)控制的光電探測器電流中引入不同的周期性變化。結(jié)果，心率檢測算法可能會(huì)變得混亂。

“氣隙”中的不僅僅是空氣

在許多可穿戴應(yīng)用中，水（以汗水或雨水的形式）可能存在于“氣隙”中。由此產(chǎn)生的組合和變化有很多，但我們可以考慮一些普遍性。當(dāng)感測目標(biāo)是主要由水組成的活組織時(shí)，氣隙中有水實(shí)際上會(huì)縮小氣隙和目標(biāo)之間的折射率差異。這應(yīng)該允許按比例更大數(shù)量的光傳輸?shù)浇M織中，從而加強(qiáng)傳感機(jī)制。

解決主題中的生物變化

長期生物傳感和監(jiān)測的一個(gè)內(nèi)在事實(shí)是目標(biāo)（活組織）會(huì)生長和變化。例如，增加組織上的壓力可能會(huì)夾斷血流并減少或以其他方式損害光電探測器處檢測到的信號(hào)。同樣，組織上的炎癥和腫脹會(huì)改變傳感器的光路。

通常，這些變化不是挑戰(zhàn)，而是長期光學(xué)生物傳感背后的目標(biāo)。能夠通過監(jiān)測組織中的光變化來捕捉生物變化，這使得光學(xué)生物傳感器不僅成為心率監(jiān)測的有用工具，而且成為許多不同類型的非侵入性健康監(jiān)測的基礎(chǔ)。然而，在監(jiān)測一組生物變化時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須保持對(duì)其他潛在生物變化的認(rèn)識(shí)，以及它們?nèi)绾闻c光路相互作用以提供錯(cuò)誤信號(hào)并降低傳感數(shù)據(jù)的可靠性。

最大化信號(hào)路徑性能

由于所有可能影響光信號(hào)的因素，設(shè)計(jì)人員控制下的光數(shù)據(jù)路徑部分提供最佳信噪比性能變得越來越重要。高性能設(shè)計(jì)使識(shí)別傳感器數(shù)據(jù)的可靠性變得更加容易。

例如，任何到達(dá)光電探測器但沒有進(jìn)入目標(biāo)組織的光，不僅僅是從 LED 光源發(fā)出的光，都會(huì)增加生物傳感信號(hào)的噪聲。一些集成模擬前端 （AFE） 器件，如MAX86140和MAX86171，對(duì)光電探測器上與 LED 光源異步的任何環(huán)境電流進(jìn)行采樣，并將其從光電探測器電流中減去。事實(shí)上，這些 AFE 甚至可以預(yù)測環(huán)境光條件在典型用例中會(huì)如何變化，因此設(shè)計(jì)人員可以相信它們的影響對(duì)生物傳感信號(hào)幾乎沒有影響。

知道傳感器數(shù)據(jù)何時(shí)不可靠

由于沿光路的許多事物可能發(fā)生變化，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)采用其他機(jī)制來檢測潛在變化，以確保傳感器數(shù)據(jù)的可靠性。

一種應(yīng)對(duì)策略是使用不受光路變化影響的傳感器來監(jiān)控何時(shí)可能發(fā)生這種變化。例如，加速度計(jì)可以注意到移動(dòng)的目標(biāo)，壓力傳感器可以感知增加的壓縮。由于這些傳感器使用與光學(xué)傳感器不同的模式，它們至少可以警告設(shè)計(jì)人員傳感器數(shù)據(jù)可能會(huì)受到損害，在某些情況下，甚至可以用來幫助減少使用具有不同光路的數(shù)據(jù)，從而使結(jié)果更加可靠。

另一種策略是使用多個(gè)光頻率，因?yàn)椴煌伾墓獗幻糠N光學(xué)介質(zhì)以不同方式衰減。因此，光路的變化會(huì)以不同的比例衰減或散射每種顏色的光。通過比較發(fā)射光和接收光的光譜成分，設(shè)計(jì)人員可以獲得有關(guān)光路如何變化的信息。

傳感器數(shù)據(jù)是算法的輸入，算法解釋數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為有意義的信息。算法可以使用已知的物理模型或用例的上下文和歷史傳感器數(shù)據(jù)來確定新數(shù)據(jù)是否變得不可靠。在以后的文章中，我將對(duì)傳感器數(shù)據(jù)和算法的交互進(jìn)行更定量的研究，以便為設(shè)備最終用戶提供可靠和可操作的信息。

審核編輯：郭婷