光学传感器代表了最常见的生物传感器类型。这个由两部分组成的系列文章提供了有关光学技术如何用于生物分析应用程序的技术背景。本文概述了如何对脉冲体积描记器（PPG）波形使用反射法，并描述了工作中的物理和生理原理。第2部分介绍了影响移动和可穿戴应用中的光学传感器的常见噪声和错误源，包括测量中捕获的环境造成的混杂因素的影响以及用户群体之间的生理变化。它还概述了可穿戴生物传感器的当前功能以及光学生物传感应用的未来方向。

概述：光学生物传感

光学方法是对植物和动物进行生物传感的最常用方法之一。例如，卫星的遥感设备通常使用反射质量来确定植被的绿色度和压力。护士将脉搏血氧仪夹在患者指尖，这是在就诊之前采取生命体征的常规步骤。

广泛的应用范围反映了光感测的多功能性，光是相干或非相干的，会与它穿过的物质发生相互作用，并被吸收，反射，散射，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，其光谱含量和偏振，以得出有关光脉冲所经过的介质中被分析物的信息。

本文重点介绍我们前面提到的第二个示例，其中使用光电容积描记（PPG）实时监视血液流动。

通过PPG实时监测血流

体积描记图是体积测量值。随着血液的流动，心血管脉搏波会从心脏发出并在人体中传播，从而使皮下组织中的动脉和小动脉周期性地扩张。PPG使用光讯问组织。因为组织中的血液比周围组织吸收更多的光，所以血液量的减少会导致反射回或散射的光强度增加。

根据光源和光电探测器的相对位置，PPG可能有两种配置：透射吸收和反射。在透射配置中，光源和传感器在组织的直接相对侧。在反射布置中，它们可以在同一侧。反射配置利用了人体组织的光散射效应，这将在下一节中讨论。

尽管PPG通常在诊所和医院中使用手指夹执行，但只要容易接近富含血管的组织，特别是在使用反射配置时，就有可能在许多其他身体位置获得有效的PPG信号。例如前额，外耳道，二头肌或小腿肌肉周围的区域，甚至手腕周围的区域。这些替代位置中的某些位置允许运动器材和可穿戴设备成功集成PPG传感器，这将在本系列的第二部分中进行说明。

通过组织的光学测量

可见光（NIR）可以穿透几毫米进入人体组织。渗透受到限制，因为光被血液，黑色素，脂肪和水吸收。在该范围内，光主要被散射，因此迅速扩散。光组织相互作用取决于不同的组织成分以及所用光的波长。这些变化使PPG信号可以传达许多信息。

背向散射的光通过脉动动脉血量进行调制，而来自其他组织成分的吸收保持恒定。从简化的角度来看，这些会导致光电探测器输出中的AC分量与受试者的体积描记信号同步并成比例，而DC信号则是光源和光路中组织不断吸收的函数（图1）。

生物传感器

图1 PPG的光电探测器接收到的反向散射光。该图显示了使用四个强度相同的不同光源（红色，绿色，蓝色和红外）的数字化光电探测器输出。Maxim PPG模拟前端已对信号进行了处理，以消除噪声。

不同波长的光被人体吸收的程度不同。例如，许多PPG设备都包含一个或多个绿色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环境反射光的污染。但是，由于吸收能力强，渗透深度也受到限制，因此仅适用于大量血液灌注的区域。

血红蛋白还强烈吸收绿光，使其难以更深地渗透到组织中。PPG用于脉搏血氧饱和度的医学实施使用NIR光源。红光深入人体，并提供丰富的生理信号源。

常见的PPG信号伪像

PPG信号通常不仅包含通过组织的反向散射光，而且还包含环境光和与组织的不良连接所引入的伪影。其他因素也会影响PPG信号的质量。这些包括受试者的皮肤结构，皮肤色素，甚至皮肤温度。先进的PPG集成电路，例如MAX30112，包括专门的信号处理和采样方案，以应对其中的一些伪像，同时节省工作功耗。

可穿戴设备设计人员面临的最常见问题是环境光污染。不仅环境光在不断变化，室内光通常还包含闪烁的闪烁，该闪烁跟踪电力线的频率（即50或60Hz，取决于位置），这会使PPG信号的AC分量中携带的信息模糊。

运动伪影可能是由与组织和光电探测器的间歇性不良接触引起的。在无法限制对象运动的可穿戴设备中，运动伪影可能会使测量某些缓慢的生理变化变得困难。

PPG的另一个问题是，可检测的信号强度受皮肤或皮肤色素中黑色素浓度的影响。通过设计，黑色素会减弱入射光的波长。发现是没有血液供应的表皮层，因此PPG设备的目标始终是表皮下。设计人员可以通过使用更强的光源或通过选择不同的光频率（如NIR）来克服由于黑色素沉着而产生的微弱信号，在该频率下黑色素的吸收性较低。

PPG的见解

一旦信号处理消除了伪像并放大了PPG波形，就可以使用高级算法来提取和解释其功能。图2 显示了典型的PPG波形。

两个连续的收缩峰之间的距离（称为峰-峰间隔）代表完整的心动周期。

生物传感器

图2 典型的PPG波形

收缩幅度表明由动脉血流引起的血量变化，并且与中风量有关，这可能表明血管收缩或血管舒张，还反映出冷敏性，对麻醉药的反应，失血，体温过低等。脉宽和脉搏面积还与全身血管阻力相关，其可能反映患者的药物相互作用或血液粘度。

扩张指数，舒张峰和收缩峰之间的比率是主动脉僵硬的指标。收缩期和舒张期峰值之间的时间延迟随受试者的年龄而缩短，并且在受试者身高一定的情况下，可提供大动脉僵硬度的指标。这两个指标都可以告知受试者的心脏健康。

我们还可以比较来自一个以上波长的光源的PPG信号，例如，通过将光与通过同一组织的红色和红外LED的吸收进行比较，以确定其氧饱和度水平。脱氧血红蛋白比氧合血红蛋白对红光的吸收更大，而氧合血红蛋白可以更好地吸收红外线（因此，与动脉血相比，静脉血中的深蓝色调）。因此，血液氧合与反射的红光和红外光之比成正比。

使用PPG进行成功和建议的测量包括：

  • 心率和心率变化
  • 呼吸频率
  • 血氧饱和度
  • 身体补水
  • 严重的静脉回流疾病（静脉曲张）
  • 静脉功能
  • 感冒敏感性
  • 血压
  • 心输出量

将PPG与其他感应方法进行比较

PPG已用于测量生理状况的广度。但是，其最吸引人的品质是其易用性和非侵入性。由于专用PPG电路的进步，光电容积描记法具有便携性，低功耗且易于实现的特点。

由于PPG和心电图（ECG）均用于测量心脏活动，因此经常将它们进行比较。许多临床研究已经针对长期心率变异性（HRV）测量检查了针对心电图在不同使用情况下PPG的性能。他们通常发现PPG提供了一种实用的ECG替代产品。尽管如此，应该注意的是，如果光电探测器无法保持与组织的良好接触（由于误解的运动伪像），PPG可能会提供错误的读数。

本系列的第2部分将详细讨论可穿戴PPG实施可能遇到的常见错误，以及它们当前和将来的功能。

陈恩恩（Ian Chen）是Maxim Integrated工业与医疗业务部门的执行董事。

参考

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编辑：hfy