光學傳感器是最常見的生物傳感器類型。本應用筆記探討了影響光學傳感的常見噪聲和誤差源，包括測量中捕獲的環(huán)境混雜因素的影響以及用戶群體之間的生理變化。本文檔還總結了可穿戴生物傳感器的當前功能，并討論了光學生物傳感應用的未來。

PPG 傳感器和環(huán)境噪聲

PPG在臨床環(huán)境中的使用受到了很多關注;例如，指夾上的脈搏血氧儀。然而，即使在最無菌的臨床環(huán)境中，光學傳感器也可以捕獲可能影響其光路的環(huán)境變化并混淆體積描記法信息。您可以想象，在控制較少的可穿戴配置中，這變得多么具有挑戰(zhàn)性。

環(huán)境混雜因素或噪聲通常分為兩大類：光學和生理。光噪聲是指傳感器看到的光路的變化特性，這些特性與觀察到的血液體積的光吸收無關。例如，光學傳感器可以拾取環(huán)境光。這可能特別麻煩，因為室內(nèi)照明通常包含閃爍，這會周期性地影響感測光信號的偏移并干擾PPG信號。同樣，生理變化可能會改變組織中的血流量和體積，從而改變PPG信號。

雖然這些挑戰(zhàn)存在于每個環(huán)境中，但它們在控制較少的環(huán)境中變得更加明顯，例如最有可能發(fā)現(xiàn)可穿戴應用的環(huán)境。即便如此，PPG仍然受到可穿戴設備的歡迎，因為該技術已被證明在監(jiān)測佩戴者的關鍵生命體征方面是可靠的。

為了減輕其中一些偽影的影響，先進的PPG IC現(xiàn)在具有智能信號路徑。算法也變得越來越復雜。因此，設計師現(xiàn)在可以將PPG納入各種外形尺寸，包括耳塞、戒指、項鏈、頭帶和臂帶、手鐲、手表和智能手機。

PPG傳感系統(tǒng)的性能考慮因素

圖1.PPG電路中的噪聲源。

在討論光噪聲之前，了解PPG傳感系統(tǒng)的整體性能考慮因素很有用（見圖1）。可穿戴PPG電路的主要任務是最大限度地提高信噪比（SNR），同時節(jié)省消耗的功率。

灌注指數(shù)（PI）表示組織中脈動血流與靜態(tài)（非脈動）血的比率。在數(shù)學上，它是PPG信號的交流部分作為整體信號的一部分。

影響發(fā)射路徑噪聲和功率的一個關鍵因素是LED驅(qū)動器，它控制LED電流的幅度、瞬態(tài)以及上升和下降時間。在接收路徑上，PPG電路處理抗混疊、采樣和環(huán)境光抑制。這些電路還可以在寬檢測范圍內(nèi)保持功率效率，并不斷提高信號線性度。

集成PPG傳感器前端電路，如MAX30112，通過將這些功能集成到單個高性價比IC中，簡化了PPG的實現(xiàn)考慮。MAX30112等IC驅(qū)動LED光源，并對所得光電探測器輸出進行采樣。根據(jù)LED和光電探測器的選擇，所涉及的光電流范圍從sub-nA到數(shù)十μA。

環(huán)境光條件對PPG的影響

直流和交流環(huán)境光條件都可能對PPG造成問題。強恒定（DC）環(huán)境光會使光電探測器飽和，從而使PPG波形無法檢測到。鑒于此，前端電路必須在LED關閉時捕獲環(huán)境光電平，并在對PPG信號進行采樣之前從光電探測器輸出中減去該電平，如圖2所示。在該概念圖中，為了避免轉換器飽和，在采樣之前去除粗大的直流信號，采樣和濾波技術可以解決其他環(huán)境光偽影。去除環(huán)境光成分后，可以對PPG信號進行采樣，而不會有飽和的風險。

照明（主要是室內(nèi)）的閃爍是PPG的另一個噪聲源。根據(jù)它們在世界的位置，室內(nèi)燈可能會以 50Hz 或 60Hz 的基頻閃爍。該速率接近PPG信號采樣的頻率。如果不加以校正，環(huán)境閃爍會為每個樣本產(chǎn)生不同的偏置偏移。MAX30112采用先進的相關采樣技術，專門用于衰減任何50Hz/60Hz閃爍元件，可以減輕PPG信號閃爍的損壞影響。

圖2.概念圖顯示了PPG信號中用于環(huán)境消除的兩級濾波。

運動偽像如何影響PPG精度

一些 PPG 衍生的信息，例如脈搏血氧飽和度 （SpO2），尤其容易因運動偽影而損壞。SpO2通過使用比率R比較氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸收來測量，如下所示：

其中 PI1和 PI2是使用波長 1 和 2 處的兩個不同顏色的光測量的系統(tǒng)灌注指數(shù)。

跟

其中 l 是光程長度，ed和 eo是波長的脫氧和氧血紅蛋白的吸收系數(shù) 分別為 1 和 2。在大多數(shù)實現(xiàn)中，常量 （k1， k2， k3和 k4） 對給定的 PPG 設計進行校準 使用已知的 SpO2來自一組測試對象的測量值。

由于比率R和PI在方程中占有突出地位，因此SpO的精度很高2取決于維持能力 一致的 PI 值。PPG探頭或可穿戴設備的光學/機械設計，以及 主題，都影響PI。當受試者自愿或非自愿地身體移動時，這種移動可能會導致 傳感器相對于組織的機械位移。反過來，這可以動態(tài)地修改效率。 光耦合，改變光程長度，否則會引起雜散信號動態(tài)。偶數(shù)分鐘 運動會影響PPG信號。例如，呼吸運動通常耦合到PPG波形中。

運動也可能導致與動脈脈搏無關的組織生理變化。例如，當 受試者改變他或她的姿勢，運動可能會部分破壞血液流動并動態(tài)地重新分配靜脈 血量。這種變化將反映在PPG測量中，并且在脈搏血氧飽和度的背景下，可能是 解釋為錯誤。生理變化也可能在沒有運動的情況下發(fā)生，例如當有顯著變化時 在環(huán)境溫度或皮膚溫度或水合作用中。所有這些因素都會影響PPG觀察結果。

相當多的研究已經(jīng)通過減少 運動偽影的影響。算法采用了不同的技術，從使用簡單的移動平均線到復雜的 非線性自適應濾波器。外部參考有助于鑒定運動偽影。這些參考資料包括 慣性傳感器對運動敏感，但對光學環(huán)境的變化不敏感，以及 第三個波長對光學環(huán)境的變化敏感，但對運動不敏感。盡管算法 然而，運動偽像的進步繼續(xù)限制可穿戴PPG設備的精度。

可穿戴光學生物傳感器：新應用

即使精度有限，PPG在可穿戴應用中也取得了成功，因為它們以非侵入性的方式 提供縱向生命體征信息，包括心率、脈搏率和脈搏血氧飽和度。此外，使用PPG 信號，先進的算法已經(jīng)測量了心率變異性和血壓。

通過訪問源源不斷的健康信息，我們可以看到我們處理醫(yī)療保健的方式發(fā)生了轉變。 從信息中獲得的見解可能會為整體診斷提供信息，有時在臨床可觀察到之前 出現(xiàn)癥狀。

事實上，可穿戴PPG的發(fā)展遠遠超出了僅僅報告生命體征的范圍。將PPG數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)融合的輸入 機器學習，標準大學的早期研究使用日常可穿戴生物傳感器測量，包括心率， 皮膚溫度，SpO2，以及對 43 個人的身體活動，以證明可穿戴傳感器可用于 識別萊姆病和炎癥的發(fā)作。從這些觀察中，研究人員開發(fā)了計算 個性化疾病檢測算法。可以肯定的是，未來將有令人興奮和雄心勃勃的應用程序。

審核編輯：郭婷