傳感器能否提供可靠的數據取決于目標信息、部署的算法以及給定用例的具體細節。光學生物傳感已成為智能手表和健身可穿戴設備的主流功能。本文將概述光學生物傳感器收集的光電容積脈搏波 （PPG） 數據之間的相互作用。

PPG 測量通過組織的反射（反向散射）或透射光，以研究每次心跳發生的血容量變化。研究人員和醫生通過使用不同的算法處理 PPG 數據，得出了包括心率、呼吸頻率、氧飽和度、血管粘度、靜脈回流、冷敏感性、血壓和心輸出量在內的信息。捕獲的 PPG 數據能否可靠地提供所有這些見解取決于許多因素。

在之前關于光學生物傳感器的文章中，我們提出了以下等式：

其中SNR是 PPG 數據的信噪比，I LED是 LED 電流，CTR是 LED 電流和光電探測器 （PD） 電流之間的傳輸比，PI是對象的灌注指數，N TX， N PD和 N RX分別是發射器（LED 驅動器）、PD 和接收器（模數轉換）中的噪聲。

當我們將 SNR 作為 PPG 數據可靠性的衡量標準時，我們看到特定最終用途中的測量環境和底層 PPG 系統設計在確保可靠性方面發揮著基礎性作用。考慮這些參數：

光學配置，包括光的波長、LED 的效率和視野、PD 的響應性以及光路的設計。這些因素中的每一個都有助于傳感系統的點擊率。

對象的膚色、皮膚溫度、血液灌注和傳感器在身體上的位置都會影響 PI。對于大多數用例，受試者的皮膚特征超出了設計師的控制范圍。盡管醫療實踐通常從手指和耳垂獲取 PPG 數據，但這些位置可能不便于動態和長期監測。因此，許多設計期望并接受較低的 PI 值。

光學元件和系統設計最終控制了 PPG 系統中的噪聲。在大多數可穿戴應用中，N TX和 N RX可以通過選擇具有更好固有信噪比性能的模擬前端來最小化。這一點尤其重要，因為 CTR 通常是一個很小的數字，特別是當小型化或其他工業設計考慮可能會限制光學設計時。因此，等式分母中的噪聲項開始占主導地位。

通過增加 LED 功耗來提高 SNR。當所有其他方法都失敗時，該等式向設計人員保證，他們仍然可以通過提高 I LED獲得可靠的 PPG 數據，這當然會大大增加系統功耗。此外，過度的功耗可能會導致系統中的其他復雜性損害數據的可靠性。

雖然較差的 SNR 通常代表缺乏數據可靠性，但其他因素（例如運動偽影）可能會在不同程度上影響不同 PPG 數據衍生信息的可靠性。為了解釋這一點，我們將看一些可以嵌入 PPG 數據中的信息示例。正如下面的討論所示，在頻域中檢查 PPG 數據很有用。

心率或脈搏率

PPG 最普遍的應用是監測心率，這也是最可靠的數據（圖 1 表示按年齡劃分的平均目標心率）。人的心率低于3Hz。它主要是音調意味著它是一個窄帶信號，因此，通過應用于大多數 PPG 數據的算法從大多數背景噪聲中恢復相對簡單。在預期有運動的用例中，可以使用更高的帶寬來允許算法使用真正的 PPG 波形的特征將真正的 PPG 信號與帶內運動偽影區分開來。

目標心率

年齡每分鐘心跳的平均最大心率目標心率范圍（以每分鐘心跳數為單位）

資料來源：美國心臟協會

加速體積描記圖 （APG） 中的冠狀動脈健康信息

由于 PPG 測量成本低且無創，因此許多研究人員專注于使用在臨床環境下獲取的 PPG 數據來診斷周圍血管疾病，例如動脈粥樣硬化，其中脂肪沉積會減小動脈的直徑。

處理 PPG 數據的常用方法是使用其二階導數，得到的波形通常稱為 APG（參見圖 2）。在許多研究過程中，研究人員對 APG 波形的形狀進行了分類，以幫助診斷受試者的健康狀況和患冠心病的風險。這些研究中的技術包括頻率信息，通常從 0.05Hz 到 20Hz，明顯高于基本心率。而且由于高頻分量要弱得多，因此這些 PPG 測量需要更高的 SNR，而對信號調節的低通濾波器的依賴更少。例如，對 APG 特征的簡單分析包括：

動脈僵硬。APG的b/a比值的大小與外周動脈的擴張性有關，可能是動脈粥樣硬化和動脈擴張性的非侵入性指標。其他人指出，c/a 和 d/a 比率反映了動脈僵硬度的降低。一些研究甚至表明與弗雷明漢風險評分呈正相關，該評分已被用于估計個體患心血管疾病的風險。

年齡估計。有一些出版物提出了不同的 APG 比率，包括 （c+db）/a，作為估計受試者年齡的一種手段。

圖 2. 加速度體積描記圖。

心率變異性 （HRV）/脈率變異性 （PRV）

使用 PPG 測量的 PRV 類似于心率變異性 （HRV），用于通過分析心臟活動產生的心跳間隔來測量自主神經系統。由于心跳間隔變化緩慢，可穿戴 PPG 數據的可靠性挑戰在于長時間保持良好的傳感器與組織接觸。此外，用于獲取 PPG 數據的采樣率必須足夠高以避免時域量化，這會影響分析的 PRV 變量的準確性。

血氧飽和度2

脈搏血氧飽和度或 SpO 2比上面列出的 PPG 測量更復雜，因為它涉及兩種不同波長的光。研究人員提出了許多不同的方法來消除噪聲和運動偽影的影響，但問題在可穿戴應用中仍然存在。這是由于運動偽影的復雜性。

運動會導致組織與傳感器的耦合發生變化。這是一個基本假設，即這兩個波長共享基本相同的光路。當對象的移動導致每個光源行進的路徑之間存在瞬時差異時，數據變得不可靠。此外，運動還可以影響靜脈血和其他非脈動成分沿光路的運動，從而改變所觀察組織的特性。

在這里，數據可靠性需要一種算法來了解 PPG 數據是干凈的還是被運動破壞的。因此，對可靠數據的帶寬需求更多地與支持這種分類以及除了 PPG 之外還有哪些其他傳感器信息可用，而不是與心率或破壞性運動有關。

一個例子：PPG 數據的功率譜密度

圖 3是從一組 PPG 數據中得出的功率譜密度，該數據在 40 秒內以每秒 100 個樣本在正常行走的受試者身上捕獲。它已被截斷以僅顯示從 0 到 15Hz 的頻譜。第一個突出的峰值（低于 3Hz）對應于心率。較高頻率（》3 到 8Hz）的頻譜能量主要由運動偽影支配。這說明了為高階分析（例如使用 APG 波形）導出連續可用數據的困難。算法必須能夠將干凈、可用的數據與被運動或其他偽影破壞的數據區分開來。

圖 3. PPG 數據的功率譜密度。

概括

本文從一般信噪比的角度和有用信息在頻域中的可能存在程度來研究 PPG 數據可靠性的貢獻者。設計人員可以通過以下方式提高數據可靠性：

確保 PPG 硬件本質上提供光學信噪比性能

確保信號鏈為目標信息提供足夠的帶寬

包括其他傳感器，它們可能會在 PPG 數據可能損壞時向算法發出警報

通過設計在可穿戴設備中的光學傳感器收集可靠的 PPG 數據，佩戴這些設備的人可以更深入地了解他們的健康狀況。

審核編輯：郭婷