光學(xué)傳感器是最常見的生物傳感器類型。本應(yīng)用筆記概述了反射計在脈沖體積描記儀（PPG）波形中的應(yīng)用，并描述了物理和生理原理的工作原理。

介紹

光學(xué)方法是植物和動物生物傳感的最常見方法之一。例如，遠程 衛(wèi)星設(shè)備通常使用反射質(zhì)量來確定 植被和脈搏血氧儀使用脈搏體積描記儀 （PPG） 傳感器收集生命體征數(shù)據(jù) 在醫(yī)生就診期間。事實上，正如這些應(yīng)用示例所示，光學(xué)傳感是相當(dāng)通用的。光 無論是相干的還是非相干的，在物質(zhì)通過時與物質(zhì)相互作用，并被吸收、反射， 分散、分散或以其他方式改變?？茖W(xué)家可以檢查光脈沖的大小和形狀， 它們的光譜含量和偏振，以得出有關(guān)介質(zhì)中分析物的信息，即光 脈搏已經(jīng)遍歷。

監(jiān)測實時血流

體積描記圖是一種體積測量。當(dāng)血液流動時，心血管脈搏波從心臟傳播， 在體內(nèi)繁殖，周期性地擴張皮下組織中的動脈和小動脈。PPG 使用光來詢問組織片，通過組織接收到的光對應(yīng)于 血容量的變化。

根據(jù)光源和光電探測器的相對位置，有兩種配置 PPG：透射吸收和反射。在透射式配置中，光源和傳感器打開 組織正對側(cè)。在反射安排中，它們可以在同一側(cè)。反射 配置利用了身體組織的光散射效應(yīng)。

在今天的診所和醫(yī)院，PPG通常使用指夾進行。但是，只要有容易 進入富含血管的組織，可以在許多其他身體部位獲得有效的PPG信號。 使用反射式配置時尤其如此。前額、外耳道、周圍區(qū)域 二頭肌或小腿肌肉，甚至手腕周圍的區(qū)域都是這種身體位置的一些例子。

通過組織進行光學(xué)測量

可見光到近紅外（NIR）光可以穿透身體組織的深度。由于光被血液吸收， 黑色素，脂肪和水，滲透有限。在該范圍內(nèi)，光主要是散射的，因此， 迅速擴散。光組織相互作用取決于不同的組織成分和波長 使用的光。鑒于這些變化，PPG信號可以傳達許多信息。

反向散射光通過脈動動脈血容量進行調(diào)節(jié)，同時從其他組織吸收 組件保持不變。從簡化的角度來看，這些導(dǎo)致光電探測器中的交流組件 輸出與主體的體積描記信號同步且成比例，直流信號 光源和光路中組織持續(xù)吸收的函數(shù)。有關(guān) PPG光電探測器接收的反向散射光示例，數(shù)字化光電探測器輸出使用 三種不同的光源：紅色、綠色和紅外線。信號經(jīng)過處理以消除低頻 噪音。

圖1.PPG的光電探測器接收到的反向散射光。

身體吸收不同波長的光的程度不同。例如，許多PPG設(shè)備包括一個或 更多綠色 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任何 反射環(huán)境光的污染。但由于吸收力強，滲透深度 也有限，因此僅適用于血液灌注充足的地區(qū)。

血紅蛋白也強烈吸收綠光，因此這種光很難深入滲透到組織中。醫(yī)療 用于脈搏血氧飽和度的PPG使用近紅外光源。紅光深入人體， 提供豐富的生理信號源。

緩解PPG信號偽影

PPG信號通常不僅包含通過組織的反向散射光，還包含由 環(huán)境光和與組織的連接不良。各種因素會影響PPG信號的質(zhì)量， 包括受試者的皮膚結(jié)構(gòu)、皮膚色素，甚至皮膚溫度。減輕某些影響 這些偽像在節(jié)省功耗的同時，先進的PPG集成電路（如MAX30112）包括： 專門的信號處理和采樣方案。

對于可穿戴設(shè)備設(shè)計人員來說，最大的挑戰(zhàn)之一是解決環(huán)境光的污染問題。 環(huán)境光不斷變化，室內(nèi)燈通常具有跟蹤電力線的閃爍 頻率（即 50Hz 或 60Hz，取決于位置），可能會掩蓋 AC 分量中攜帶的信息 PPG 信號。

間歇性地與組織和光電探測器接觸不良會導(dǎo)致運動偽影。這樣的文物，在 轉(zhuǎn)，可能會使測量一些緩慢的生理變化變得困難，特別是在可穿戴設(shè)備中 受試者的運動不能受到限制。

PPG的另一個問題是可檢測的信號幅度受皮膚黑色素濃度的影響 或皮膚色素。根據(jù)設(shè)計，黑色素會衰減入射光波長。它存在于表皮層中， 在沒有血液供應(yīng)的地方，因此PPG裝置的目標(biāo)始終是表皮下?？朔⑷跣盘?由于深色色素沉著，設(shè)計師可以選擇使用更強的光源，或者選擇不同的光頻， 像NIR，黑色素的吸收性較低。

PPG的見解是心血管健康的窗口

在消除偽影并通過信號處理放大PPG波形后，高級算法 可用于提取和解釋其特征。典型PPG波形見圖2。峰峰區(qū)間， 或兩個連續(xù)收縮期峰值之間的距離，代表一個完整的心臟周期。

圖2.典型的PPG波形。

收縮期振幅（x）表示動脈血流引起的血容量變化，并且與動脈血流有關(guān) 每搏輸出量，這可能提示血管收縮或血管舒張;它還可以反映冷敏感性， 對麻醉劑的反應(yīng)，失血，體溫過低等。脈寬和脈面積也與全身相關(guān) 血管阻力，可以反映患者的藥物相互作用或血液粘度。

主動脈僵硬的指標(biāo)是隆起指數(shù)，即舒張期峰值與舒張期峰值之間的比率 收縮壓峰值（Y.X）。收縮期和舒張期峰值之間的時間延遲隨著受試者年齡的增長而縮短，并且， 給定受試者的身高，提供大動脈僵硬的指標(biāo)。這兩個指標(biāo)都可以提供信息 受試者的心血管健康。

我們還可以比較來自多個波長的光源的PPG信號。例如，我們可以比較光 用紅色和紅外LED通過同一組織吸收，以確定組織的氧氣水平 飽和。脫氧血紅蛋白比氧合血紅蛋白更能吸收紅光， 而氧合血紅蛋白可以更好地 吸收紅外線。因此，血液氧合與反射的紅光和紅外光的比例成正比。

PPG在以下測量參數(shù)方面取得了成功，或已被提議用于測量參數(shù)：

心率和心率變化

呼吸頻率

血氧飽和度

身體補水

靜脈反流?。o脈曲張）的嚴重程度

靜脈功能

冷敏感性

血壓

心輸出量

PPG 是心率測量的實用替代方案

PPG易于使用且無創(chuàng)，已被用于測量各種生理條件。隨著進步 專用PPG電路，光電容積脈搏波便攜，低功耗，實現(xiàn)相對簡單。在 比較PPG與心電圖（ECG）進行長期心率變異性（HRV）測量的臨床研究， PPG已被證明是心電圖的實用替代方案。即便如此，請注意，如果 光電探測器無法與組織保持良好的接觸（由于運動偽影被誤解）。

審核編輯：郭婷