提高生物傳感可穿戴設(shè)備心率監(jiān)測(cè)性能的指南

在可穿戴設(shè)計(jì)過(guò)程中，一個(gè)關(guān)鍵步驟是將發(fā)光和光傳感元件的光機(jī)械集成到生物傳感手腕可穿戴設(shè)備中。選擇能夠最大限度地減少串?dāng)_和最大化信噪比的元件和幾何形狀會(huì)顯著影響信號(hào)質(zhì)量。本應(yīng)用筆記探討了為獲得最佳性能而需要考慮的光學(xué)和機(jī)械方面。光學(xué)部分側(cè)重于光與皮膚和血液的相互作用以及LED和光電探測(cè)器的選擇。機(jī)械部分提供了增加光學(xué)元件和皮膚之間耦合的建議。

介紹

基于手腕的可穿戴設(shè)備使用戶能夠更主動(dòng)地控制自己的健康狀況，跟蹤健身、日?；顒?dòng)和睡眠期間的各種生理參數(shù)。跟蹤過(guò)程是方便的非侵入式的，因?yàn)榧傻皆O(shè)備中的光學(xué)傳感器用于檢測(cè)心率信號(hào)并得出參數(shù)。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)療領(lǐng)域建立起來(lái)，現(xiàn)在正在轉(zhuǎn)移到可穿戴手腕應(yīng)用。

光學(xué)傳感器操作

光學(xué)傳感器利用一種稱為光電容積脈搏波（PPG）的原理來(lái)測(cè)量心率。隨著心臟泵血，動(dòng)脈中運(yùn)輸?shù)难毫繒?huì)發(fā)生變化。當(dāng)心臟排出血液時(shí)（收縮期），更多的血液流經(jīng)動(dòng)脈，當(dāng)心臟抽血時(shí)（舒張期）流更少的血液。當(dāng)收縮期和舒張期心跳之間的血容量變化時(shí)，它會(huì)改變動(dòng)脈層的光吸收系數(shù)。組織的光學(xué)照明以及透射光的測(cè)量揭示了由于血容量變化引起的吸收變化，并允許恢復(fù)心率脈動(dòng)信號(hào)。

在身體的某些部位（例如手腕）進(jìn)行透射式心率測(cè)量在邏輯上是困難的。因此，使用反射測(cè)量代替。反射式心率監(jiān)測(cè)器由排列在同一平面上的光源和檢測(cè)器組成（圖 1）。發(fā)出的光穿透皮膚、組織和血管，被吸收、散射或反射。發(fā)射光的一小部分最終到達(dá)光電探測(cè)器。隨著動(dòng)脈中的血液量隨著每次心跳而變化，吸收的光的比例以及隨后檢測(cè)器信號(hào)的強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化。

圖1.反射光脈沖測(cè)量的原理。

當(dāng)光線與皮膚相互作用時(shí)

皮膚由表面的三個(gè)主要層組成：無(wú)血表皮層（100μm厚），血管化真皮層（1-2mm厚）和皮下脂肪組織（1-10mm厚，取決于身體部位）。通常，這些層的光學(xué)特性以吸收（μ一個(gè)）和散射（μs） 系數(shù)和各向異性因子 （g）。

吸收系數(shù)表征在組織中行進(jìn)的光子每單位路徑長(zhǎng)度的平均吸收事件數(shù)?？梢姽庾V范圍內(nèi)的主要吸收體是黑色素：由氧合血紅蛋白（Hb）、脫氧血紅蛋白（HbO）組成的血液2），和脂質(zhì)。在紅外光譜范圍內(nèi)，皮膚真皮的吸收特性以對(duì)水的吸收為主。

圖2顯示了人體皮膚的平面七層光學(xué)模型，包括角質(zhì)層，活表皮（兩層真皮中的每一層分為兩層，第一狀真皮和上血網(wǎng)真皮以及第二網(wǎng)狀真皮和下血網(wǎng)真皮），最后是皮下脂肪組織層。表1列出了層的厚度，血液，水和黑色素含量的典型范圍，以及層的折射率。

圖2.七層皮膚模型，其中第一層和最外層是角質(zhì)層，最內(nèi)層是皮下脂肪組織或脂肪層。

如表1所示，心率搏動(dòng)信號(hào)起源于躺在下血網(wǎng)真皮層的動(dòng)脈床，是七層組織模型中的第六層。該層的吸收光譜可以使用組織成分的吸收光譜及其相應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)使用以下公式計(jì)算：

μ一個(gè)（λ）= （Sμa，Hb（λ） + （1-S）μa，HbO2(λ))θ血 + μA，梅爾(λ)θ梅爾+ μa、水(λ)θ水 + μA，唇(λ)θ唇

哪里μA，梅爾0 $梅爾, μa、水0 $水, μA，唇0 $唇分別是黑色素、水和脂質(zhì)的吸收系數(shù)和體積分?jǐn)?shù)。μa，Hb和μa，HbO2是氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的吸收系數(shù)，θ血是血液的體積分?jǐn)?shù)。S是血氧飽和系數(shù)，通常在健康個(gè)體中約為95%。使用公式1和測(cè)量的組織成分吸收光譜[1]下血網(wǎng)真皮中的吸收系數(shù)可以計(jì)算為波長(zhǎng)的函數(shù)。圖 3 繪制了結(jié)果。

圖3.下血網(wǎng)真皮層中的吸收系數(shù)作為波長(zhǎng)的函數(shù)。

峰值吸收系數(shù)對(duì)應(yīng)于540nm和570nm附近的波長(zhǎng)。在這些波長(zhǎng)下，由于血容量變化引起的吸收變化最大，光電二極管測(cè)量最強(qiáng)的脈動(dòng)信號(hào)。

選擇組件

LED 波長(zhǎng)和效率

為了獲得最佳的PPG信號(hào)，即最大的交流心率信號(hào)，LED照明波長(zhǎng)應(yīng)盡可能接近血液HbO的吸收峰2在大約540nm和570nm處（圖3）。然而，由于LED在560nm左右的發(fā)光效率中已知的“綠色間隙”范圍，市售LED在這兩個(gè)所需波長(zhǎng)下非常暗淡。因此，它們對(duì)于需要高信噪比（SNR）的實(shí)際應(yīng)用并不是特別有用。因此，發(fā)射約530nm的綠色LED用于市場(chǎng)上大多數(shù)商用PPG傳感器。

Maxim Integrated探索了綠色吸收峰兩側(cè)的照明波長(zhǎng)，廣泛使用的530nm真綠色LED和590nm的黃色LED。雖然這兩種波長(zhǎng)都可從多家 LED 供應(yīng)商處獲得大發(fā)光效率，但我們發(fā)現(xiàn)歐司朗 PointLED?[2]產(chǎn)品線為制造Maxim腕部PPG傳感器可穿戴原型提供最合適的外形。

光電二極管

可穿戴心率監(jiān)測(cè)器中最關(guān)鍵的組件選擇之一是光電二極管。光電二極管是系統(tǒng)接收路徑中的第一級(jí)。市場(chǎng)上有許多光電二極管可供選擇，因此選擇在關(guān)鍵工作波長(zhǎng)或其范圍內(nèi)具有高響應(yīng)度的光電二極管非常重要。響應(yīng)度是每個(gè)光輸入的電輸出的量度，通常以每瓦入射輻射功率 （A/W） 產(chǎn)生的電流表示。高響應(yīng)度設(shè)備可以檢測(cè)腕組織內(nèi)散射返回的小心率信號(hào)。Si PIN光電二極管在可見光/NIR波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有最大的響應(yīng)度，可從許多制造商處獲得。Vishay 和歐司朗 Si PIN 光電二極管外形小巧，特別適用于生物傳感手腕可穿戴設(shè)備?[3,4].

光機(jī)械設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

概述

設(shè)計(jì)一個(gè)好的光學(xué)PPG解決方案非常復(fù)雜，而且經(jīng)常被低估。讓我們考慮光學(xué)元件的集成，以制作用于手腕可穿戴設(shè)備的完整心率監(jiān)測(cè)器。

成功的積分使傳感器接收到的信號(hào)和信噪比參數(shù)最大化。為了增加信噪比參數(shù)，我們可以最大化已經(jīng)深入皮膚的信號(hào)以檢測(cè)PPG信號(hào)，同時(shí)最小化串?dāng)_，即來(lái)自PPG信號(hào)以外的來(lái)源的傳感器上的信號(hào)。圖4描述了典型的光機(jī)集成設(shè)計(jì)。在這里，LED和光電二極管被封裝在透明材料中，以在光學(xué)元件和手腕之間提供防潮層和界面。LED和光電二極管之間的屏障提供光學(xué)隔離，確保只有穿過(guò)皮膚組織的光才能到達(dá)并被光電二極管檢測(cè)到。整個(gè)組件從腕帶底部突出，以確保與皮膚緊密接觸。

圖4.典型的光機(jī)械設(shè)計(jì)。

封裝

與任何手腕可穿戴設(shè)計(jì)一樣，客戶需要某種密封劑進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。這種密封膠具有防水性能，還可以增加傳感器接收到的信號(hào)。折射率接近人體皮膚（~1.4）的密封膠可以最大限度地減少菲涅耳反射引起的透射損失。此外，提供一些“給予”的密封劑可以增加與皮膚的接觸面積和壓力。有機(jī)硅是常用的密封膠。表2提供了封裝材料的良好有機(jī)硅候選材料及其特性。

串?dāng)_抑制功能 – 光柵

串?dāng)_由光電二極管上的信號(hào)入射組成，這些信號(hào)未穿過(guò)任何皮膚層。高水平的串?dāng)_淹沒(méi)了脈動(dòng)的心率信號(hào)，使可穿戴監(jiān)護(hù)儀無(wú)法有效測(cè)量PPG。因此，LED發(fā)射和光電探測(cè)器之間的串?dāng)_應(yīng)最小化，以獲得最佳性能。為了保持低水平的串?dāng)_，可以使用物理吸收光柵。示例屏障如圖 4 中的詳細(xì)信息視圖所示

臺(tái)面 – 增加與皮膚的接觸

串?dāng)_由光電二極管上的信號(hào)入射組成，這些信號(hào)未穿過(guò)任何皮膚層。高水平的串?dāng)_淹沒(méi)了脈動(dòng)的心率信號(hào)，使可穿戴監(jiān)護(hù)儀無(wú)法有效測(cè)量PPG。因此，LED發(fā)射和光電探測(cè)器之間的串?dāng)_應(yīng)最小化，以獲得最佳性能。為了保持低水平的串?dāng)_，可以使用物理吸收光柵。示例屏障如圖 4 中的詳細(xì)信息視圖所示

LED和光電二極管之間的間隔距離

在開發(fā)反射式心率監(jiān)測(cè)器時(shí)，從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，確定LED和光電二極管之間的理想間隔距離非常重要。選擇距離時(shí)，請(qǐng)確?？梢詸z測(cè)到具有最大和最小脈沖分量的PPG信號(hào)。這些脈動(dòng)成分不僅取決于照明組織中的動(dòng)脈血量，還取決于外周血管床中的收縮期血脈強(qiáng)度。

有兩種技術(shù)可用于提高體積描記圖信號(hào)的質(zhì)量。一種技術(shù)涉及使用大的LED驅(qū)動(dòng)電流，該驅(qū)動(dòng)電流使用較高的光強(qiáng)度來(lái)增加入射光的有效穿透深度。對(duì)于給定的LED-光電二極管分離，使用更高水平的入射光可以照亮更大的脈動(dòng)血管床。因此，反射體積描記圖包含更大的脈動(dòng)信號(hào)分量。然而，在實(shí)踐中，LED驅(qū)動(dòng)電流被制造商限制在規(guī)定的最大功率耗散。另一種方法是將光電二極管放置在靠近LED的位置。但是，如果光電二極管離LED太近，則光電二極管會(huì)被皮膚中無(wú)血角質(zhì)層和表皮層的入射光子多次散射獲得的大非脈沖分量飽和。對(duì)于恒定的LED強(qiáng)度，隨著LED和光電二極管之間的徑向距離的增加，光電二極管檢測(cè)到的總光大致呈指數(shù)級(jí)減少。換句話說(shuō)，LED/光電二極管分離對(duì)綠色和黃色體積描記圖反射脈沖幅度的影響隨著分離的增加而降低。因此，在選擇特定的間隔距離時(shí)需要權(quán)衡取舍。將光電二極管放置在離LED更遠(yuǎn)的地方，可以產(chǎn)生具有較大脈動(dòng)信號(hào)分量的體積描記圖。然而，這種方法需要更高的LED驅(qū)動(dòng)電流來(lái)克服由于光程長(zhǎng)度增加而導(dǎo)致的吸收。

LED-光電二極管分離的模擬比較

為了評(píng)估 LED 與光電二極管分離的影響，讓我們定義 PPG 測(cè)量的兩個(gè)關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)：收集效率 （CE） 和灌注指數(shù) （PI）。

CE是給定LED輸出的光電二極管功率回流的分?jǐn)?shù)。入射到光電二極管上的光信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電流，由一個(gè)大的恒定直流和一個(gè)小的可變交流分量組成。直流分量不包含心率信息，而交流分量對(duì)應(yīng)于搏動(dòng)動(dòng)脈血[5]，如圖 5 所示。

PI，定義為AC與DC的比率，是外周組織中脈動(dòng)血流與非脈動(dòng)靜態(tài)血流的比率。PI指示傳感器部位的脈沖強(qiáng)度。PI 越高，性能越好。PI取決于通過(guò)下血網(wǎng)真皮的路徑長(zhǎng)度l和吸收系數(shù)Δμ的變化，這兩者都與波長(zhǎng)有關(guān)。

PI=交流/直流= lΔμ

PI 因皮膚類型、運(yùn)動(dòng)偽影、環(huán)境光、健康水平和體內(nèi)脂肪含量而異。在基于手腕的應(yīng)用中，PI 值的范圍從非常弱的脈沖的 0.02% 到極強(qiáng)脈沖的 2%。

由于良好的PPG信號(hào)是總功率和PI之間的權(quán)衡，因此在確定最佳LED/光電二極管間距時(shí)要檢查的品質(zhì)因數(shù)是CE和PI（CE×PI）的乘積。該量與交流信號(hào)強(qiáng)度成正比，較高的CE×PI值對(duì)應(yīng)于更大的交流信號(hào)。

圖5.皮膚的光吸收?qǐng)D以及相應(yīng)的直流和交流水平。

光線跡模擬用于確定LED-光電二極管分離對(duì)PI的影響。該模擬使用蒙特卡羅方法來(lái)追蹤在復(fù)雜、不均勻、隨機(jī)散射和吸收介質(zhì)中傳播的光線。模擬的幾何形狀由1mm×1mm有效區(qū)域探測(cè)器組成，距離朗伯發(fā)光LED1mm至10mm。皮膚的七層模型放置在LED和探測(cè)器上方。圖 6 顯示了仿真設(shè)置。

圖6.用于確定最佳 LED 光電二極管分離的仿真設(shè)置。

仿真確定給定波長(zhǎng)和 LED 光電二極管間距的收集效率。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，在下血網(wǎng)真皮層中產(chǎn)生相應(yīng)的路徑長(zhǎng)度。知道光程長(zhǎng)度l和吸收系數(shù)的變化Δμ，PI可以通過(guò)公式2計(jì)算。圖 7、圖 8 和圖 9 給出了 530nm、560nm、574nm 和 590nm 的仿真結(jié)果。在圖9中可以明顯看出，高達(dá)3mm LED與光電二極管的間距，574nm產(chǎn)生的PPG信號(hào)最高。在3mm分離以上，590nm PPG信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)于其他波長(zhǎng)。

圖7.收集效率與 LED 光電二極管間距的關(guān)系。

圖8.灌注指數(shù)是 LED 光電二極管間距的函數(shù)。

圖9.CE和PI的乘積與LED光電二極管間距的函數(shù)關(guān)系。

Maxim提供適用于可穿戴、基于手腕的心率檢測(cè)應(yīng)用的IC。MAX86140/MAX86141器件是完整的集成式光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，理想用于光學(xué)脈搏血氧飽和度和心率檢測(cè)應(yīng)用。兩者都包括高分辨率光學(xué)讀數(shù)、具有環(huán)境光消除功能的信號(hào)處理通道以及大電流LED驅(qū)動(dòng)器DAC，以形成完整的光學(xué)讀出信號(hào)鏈。MAX86140由一個(gè)光學(xué)讀出通道組成，而MAX86141具有兩個(gè)可同時(shí)工作的光學(xué)讀出通道。MAX86140/MAX86141具有三個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器，非常適合多種光學(xué)檢測(cè)應(yīng)用。

雖然MAX86140/MAX86141器件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，但設(shè)計(jì)人員必須決定如何將LED和光電探測(cè)器集成到工業(yè)設(shè)計(jì)中。本應(yīng)用筆記概述了反射式心率監(jiān)測(cè)器的工作原理，包括與皮膚的相互作用以及發(fā)光和傳感元件的選擇。

總結(jié)

得益于小巧、強(qiáng)大的模擬前端電子設(shè)備，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以更輕松地將心率監(jiān)測(cè)等生物傳感功能集成到消費(fèi)類手腕可穿戴設(shè)備中。仔細(xì)選擇光學(xué)元件和將光機(jī)械集成到最終設(shè)計(jì)中是影響這些可穿戴傳感器性能的重要因素。選擇光學(xué)元件時(shí)，請(qǐng)仔細(xì)考慮LED的波長(zhǎng)和發(fā)光效率，波長(zhǎng)和光電二極管的響應(yīng)度。對(duì)于最高質(zhì)量的信號(hào)，重要的考慮因素包括封裝、串?dāng)_抑制屏障以及仔細(xì)確定 LED 與光電二極管的分離。

審核編輯：郭婷