光学传感器在脉搏体积描记仪中的应用概述 -- 知识铺

光学传感器是最常见的生物传感器类型。本应用笔记概述了反射计在脉冲体积描记仪（PPG）波形中的应用，并描述了物理和生理原理的工作原理。

介绍

光学方法是植物和动物生物传感的最常见方法之一。例如，远程 卫星设备通常使用反射质量来确定 植被和脉搏血氧仪使用脉搏体积描记仪 （PPG） 传感器收集生命体征数据 在医生就诊期间。事实上，正如这些应用示例所示，光学传感是相当通用的。光 无论是相干的还是非相干的，在物质通过时与物质相互作用，并被吸收、反射， 分散、分散或以其他方式改变。科学家可以检查光脉冲的大小和形状， 它们的光谱含量和偏振，以得出有关介质中分析物的信息，即光 脉搏已经遍历。

监测实时血流

体积描记图是一种体积测量。当血液流动时，心血管脉搏波从心脏传播， 在体内繁殖，周期性地扩张皮下组织中的动脉和小动脉。PPG 使用光来询问组织片，通过组织接收到的光对应于 血容量的变化。

根据光源和光电探测器的相对位置，有两种配置 PPG：透射吸收和反射。在透射式配置中，光源和传感器打开 组织正对侧。在反射安排中，它们可以在同一侧。反射 配置利用了身体组织的光散射效应。

在今天的诊所和医院，PPG通常使用指夹进行。但是，只要有容易 进入富含血管的组织，可以在许多其他身体部位获得有效的PPG信号。 使用反射式配置时尤其如此。前额、外耳道、周围区域 二头肌或小腿肌肉，甚至手腕周围的区域都是这种身体位置的一些例子。

通过组织进行光学测量

可见光到近红外（NIR）光可以穿透身体组织的深度。由于光被血液吸收， 黑色素，脂肪和水，渗透有限。在该范围内，光主要是散射的，因此， 迅速扩散。光组织相互作用取决于不同的组织成分和波长 使用的光。鉴于这些变化，PPG信号可以传达许多信息。

反向散射光通过脉动动脉血容量进行调节，同时从其他组织吸收 组件保持不变。从简化的角度来看，这些导致光电探测器中的交流组件 输出与主体的体积描记信号同步且成比例，直流信号 光源和光路中组织持续吸收的函数。有关 PPG光电探测器接收的反向散射光示例，数字化光电探测器输出使用 三种不同的光源：红色、绿色和红外线。信号经过处理以消除低频 噪音。

图1.PPG的光电探测器接收到的反向散射光。

身体吸收不同波长的光的程度不同。例如，许多PPG设备包括一个或 更多绿色 LED。绿光很容易被我们的身体吸收，因此专注于绿光可以减轻任何 反射环境光的污染。但由于吸收力强，渗透深度 也有限，因此仅适用于血液灌注充足的地区。

血红蛋白也强烈吸收绿光，因此这种光很难深入渗透到组织中。医疗 用于脉搏血氧饱和度的PPG使用近红外光源。红光深入人体， 提供丰富的生理信号源。

缓解PPG信号伪影

PPG信号通常不仅包含通过组织的反向散射光，还包含由 环境光和与组织的连接不良。各种因素会影响PPG信号的质量， 包括受试者的皮肤结构、皮肤色素，甚至皮肤温度。减轻某些影响 这些伪像在节省功耗的同时，先进的PPG集成电路（如MAX30112）包括： 专门的信号处理和采样方案。

对于可穿戴设备设计人员来说，最大的挑战之一是解决环境光的污染问题。 环境光不断变化，室内灯通常具有跟踪电力线的闪烁 频率（即 50Hz 或 60Hz，取决于位置），可能会掩盖 AC 分量中携带的信息 PPG 信号。

间歇性地与组织和光电探测器接触不良会导致运动伪影。这样的文物，在 转，可能会使测量一些缓慢的生理变化变得困难，特别是在可穿戴设备中 受试者的运动不能受到限制。

PPG的另一个问题是可检测的信号幅度受皮肤黑色素浓度的影响 或皮肤色素。根据设计，黑色素会衰减入射光波长。它存在于表皮层中， 在没有血液供应的地方，因此PPG装置的目标始终是表皮下。克服微弱信号 由于深色色素沉着，设计师可以选择使用更强的光源，或者选择不同的光频， 像NIR，黑色素的吸收性较低。

PPG的见解是心血管健康的窗口

在消除伪影并通过信号处理放大PPG波形后，高级算法 可用于提取和解释其特征。典型PPG波形见图2。峰峰区间， 或两个连续收缩期峰值之间的距离，代表一个完整的心脏周期。

图2.典型的PPG波形。

收缩期振幅（x）表示动脉血流引起的血容量变化，并且与动脉血流有关 每搏输出量，这可能提示血管收缩或血管舒张;它还可以反映冷敏感性， 对麻醉剂的反应，失血，体温过低等。脉宽和脉面积也与全身相关 血管阻力，可以反映患者的药物相互作用或血液粘度。

主动脉僵硬的指标是隆起指数，即舒张期峰值与舒张期峰值之间的比率 收缩压峰值（Y.X）。收缩期和舒张期峰值之间的时间延迟随着受试者年龄的增长而缩短，并且， 给定受试者的身高，提供大动脉僵硬的指标。这两个指标都可以提供信息 受试者的心血管健康。

我们还可以比较来自多个波长的光源的PPG信号。例如，我们可以比较光 用红色和红外LED通过同一组织吸收，以确定组织的氧气水平 饱和。脱氧血红蛋白比氧合血红蛋白更能吸收红光， 而氧合血红蛋白可以更好地 吸收红外线。因此，血液氧合与反射的红光和红外光的比例成正比。

PPG在以下测量参数方面取得了成功，或已被提议用于测量参数：

心率和心率变化

呼吸频率

血氧饱和度

身体补水

静脉反流病（静脉曲张）的严重程度

静脉功能

冷敏感性

血压

心输出量

PPG 是心率测量的实用替代方案

PPG易于使用且无创，已被用于测量各种生理条件。随着进步 专用PPG电路，光电容积脉搏波便携，低功耗，实现相对简单。在 比较PPG与心电图（ECG）进行长期心率变异性（HRV）测量的临床研究， PPG已被证明是心电图的实用替代方案。即便如此，请注意，如果 光电探测器无法与组织保持良好的接触（由于运动伪影被误解）。

审核编辑：郭婷

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