晶能光電PPG傳感器在智能手表的應(yīng)用

近期，一則微博消息引發(fā)了熱議。北京一名長期熬夜加班的男子，佩戴華為智能手表時被監(jiān)測出心臟早搏風(fēng)險(xiǎn)，在301醫(yī)院的主動致電建議下，及時前往醫(yī)院作進(jìn)一步的檢查，并確診心臟早搏。

而其實(shí)早在2015 年，蘋果手表用“心電監(jiān)測”功能挽救了一位心臟病患者的生命， 讓人們看到了智能穿戴在健康監(jiān)測上的優(yōu)勢。當(dāng)今，不少年輕人面臨著高壓工作環(huán)境，過度勞累、長期熬夜、暴飲暴食等不良工作生活方式給年輕人的身心造成了極大負(fù)擔(dān)，增加了患心腦血管疾病風(fēng)險(xiǎn)。心腦血管疾病已然成為年輕人健康的一大威脅。而越來越多的科技企業(yè)將心腦血管疾病監(jiān)測預(yù)防等功能加入其產(chǎn)品中，智能手表無疑成為了時下最為熱門的品類。那么，曾一度被稱是“智商稅”的智能手表是如何關(guān)鍵時刻救命的呢？我們先來看看，智能手表實(shí)現(xiàn)心率和血氧監(jiān)測的底層原理。

心率監(jiān)測

心率的監(jiān)測原理非常簡單：通過將綠光照射在手腕上的血管，在心臟跳動時，血液流量增多，綠光的吸收量會隨之變大，處于心臟跳動的間隙時血流會減少，吸收的綠光也會隨之降低。這種通過光學(xué)檢測心率的技術(shù)稱為「光電容積描記法(PPG)」，可精細(xì)化識別心律失常風(fēng)險(xiǎn)，對用戶進(jìn)行疑似早搏和疑似房顫的風(fēng)險(xiǎn)篩查，從而達(dá)到守護(hù)健康的效果。

為什么選擇綠光呢?經(jīng)過研究表明，綠色對于紅色來說是吸收率最大的顏色，發(fā)射綠光更容易被血液吸收，反射回去的數(shù)值也會更加準(zhǔn)確。而且所監(jiān)測的部位除了血液和血管，還有其他組織，這會帶來一定的信號“噪聲”，影響監(jiān)測的準(zhǔn)確性，而綠光的抗噪能力最強(qiáng)。我們經(jīng)?？吹竭\(yùn)動手環(huán)背后閃爍的“綠光”，就是綠光LED。

而 PPG 法不光可以獲取到心率，還能獲取其他心臟方面有價值的信息，比如：心率變異性(HRV)，也就是每一次心跳之間時間間隔的微小差異(圖中R-R interval的變化)，臨床上通過對HRV的分析能夠反映心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)的活動性、均衡性及相關(guān)的病理狀態(tài)等，是近年來比較受關(guān)注的無創(chuàng)性心理監(jiān)測指標(biāo)之一。

（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

血氧

使用 PPG 法還能監(jiān)測另外一項(xiàng)重要的生命體征，就是血氧飽和度(SaO2)，即血液中的氧濃度。這個數(shù)據(jù)能直接表示出用戶是否存在缺氧癥狀。一般來說在平原地區(qū)正常情況下血氧飽和度為 100%，低于 90% 說明存在一定缺氧癥狀，而低于 80% 說明用戶有嚴(yán)重缺氧。

血氧監(jiān)測一般分為兩種：透射式血氧傳感器和反射式血氧傳感器。消費(fèi)類智能穿戴設(shè)備，比如智能手環(huán)及智能手表，普遍采用反射式光電檢測方案。指夾式血氧儀則使用的是透射式。

反射式基本原理就是：通過芯片將紅光和紅外光射向腕部，接收反射光線后，通過發(fā)射與接收的光強(qiáng)差來計(jì)算出血氧度。從生物技術(shù)的角度看：氧氣飽和的血紅蛋白(HbO2)可以吸收更多的紅外線,而不含氧的血紅蛋白(Hb)可以吸收更多的紅光。通過這一特性我們可以通過光線的反射來判斷體內(nèi)血氧的變化。

相比而言透射式更準(zhǔn)確一些，醫(yī)院的血氧監(jiān)測儀基本上都是指夾式的，這種器械的優(yōu)勢主要是測量部位非常合理-----針對手指。要知道手指的血管非常的豐富，非常便于測量。但是，隨著智能手環(huán)和手表硬件的更新?lián)Q代，硬件的差距正在逐步縮小，到目前來說，智能手表、手環(huán)的測量精度已經(jīng)基本夠正常人使用了。

（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

PPG傳感器

目前市場上智能手環(huán)、手表大多都采用PPG技術(shù)，內(nèi)置光學(xué)心率血氧監(jiān)測器，采用PPG技術(shù)的明顯特征是傳感器部位配備了綠色LED燈，其作用過程可簡化為光--> 電 --> 數(shù)字信號。

不過，這種測量方法也存在一些缺點(diǎn)：

功耗高。智能穿戴手表的PPG傳感器功耗高問題主要來自其中的綠光,監(jiān)測心率的綠光接近24H/天工作頻率,而綠光為GaN材料,自身電壓偏高，導(dǎo)致整機(jī)器件功耗大,待機(jī)時間短。因此，如何降低綠光LED芯片的電壓成為光發(fā)射器的關(guān)鍵技術(shù)問題。

整體性能需提升。穿戴智能手表上的光學(xué)PPG傳感器存在整機(jī)性能不夠問題主要來自產(chǎn)品集成的光學(xué)傳感器的數(shù)量少，發(fā)射的光功率不夠高以及接收的光電轉(zhuǎn)換效率(表征為感光電流)不夠高，在用戶佩戴過程中會存在滑動時，導(dǎo)致隨著佩戴位置變化出現(xiàn)照射進(jìn)皮膚的光源強(qiáng)度降低從而出來的采集到的信號偏低。

針對上述缺點(diǎn)，基于對LED光源的深刻理解，晶能光電運(yùn)用獨(dú)特的硅襯底綠光LED芯片技術(shù)，通過優(yōu)化PPG光反射器的封測結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，降低芯片側(cè)壁、銀膠、鍍層等大量吸光造成的出光損耗，開發(fā)出綠光(520nm)LED、紅光(660nm)LED和紅外(940nm)LED三合一集成的光學(xué)PPG傳感器，相較于其他傳感器件產(chǎn)品，發(fā)射端信號強(qiáng)度更高,電壓更低，接收端響應(yīng)度更高，進(jìn)而表現(xiàn)出現(xiàn)更高的信噪比和更低功耗。

目前，晶能光電PPG傳感器已應(yīng)用于國內(nèi)主流智能手表、手環(huán)設(shè)備廠商，用“芯”守護(hù)心健康。未來，PPG技術(shù)還可以監(jiān)測動脈硬化、關(guān)注孩子視力健康、應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)等等，晶能光電也將時刻關(guān)注市場和客戶需求，通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和大規(guī)模制造能力，為人類健康貢獻(xiàn)出更多的“芯”功臣。