本文由「Light科普坊」出品

撰稿：张森浩（中科院苏州医工所）

审稿专家：王玲（天津大学）

近年来，医学科学和技术的进步是惊人的。人们获取个性化的健康信息已经成文生活中的基本必需品。其中，决定我们健康和幸福的核心在于监测我们心血管系统的能力，这使我们能够深入了解我们的身心健康。

互联网医疗设备市场正在蓬勃发展，它们彻底改变了我们追踪和监测健康状况的方式。通过手环这样现实生活中的例子，已经证明了技术在帮助我们过上美好的生活方面发挥重要作用。

目前，这些可穿戴设备都使用光电容积描记图（PPG）（tips: 看官请耐心，后续会对它进行详细的解释）传感器来测量心率、血氧水平、呼吸频率等生命体征。

然而，这些设备并不完美，主要限制之一是它们收集的数据的准确性。在运动过程中设备不能保证稳定地、牢靠地和人体接触，会导致相关光路轻微的、无意的变化，进一步造成监测的数据不准确。此外，轻量化、小型化对于可穿戴设备来说十分关键，这会影响我们佩戴的舒适感。

因此，如何让可穿戴设备 “精准”并且“无感”地记录数据，是研发人员想要去追求的。

最近，我们发现了这样一款有趣的可穿戴设备，来自瑞士的两位研究者将PPG传感器的大小缩小至了4 mm³，这大概是目前主流的商用传感器的1/4。如图1所示，他们将小型传感器集成，推出了一款智能健康戒指——Iris，从而希望通过小小的戒指来检测和管理人体健康，用光探测我们的健康状态，目前Iris已成功面世。

图1：Iris推出的智能健康戒指

图源：Iris官网

Iris究竟是如何监测我们的健康信息呢？接下来，我将向各位详细进行介绍。

与“光”邂逅

如图2所示，当利用发光二极管向手指发射一束特定波长的光时，它们便要开始自己在人体的探索了，首先它们先通过一些静态组织（例如骨头、肌肉等这些基本不会发生变化的组织），这些组织“留下”了一部分光（也就是吸收了一部分光）。

图2：基本架构

图源：张森浩/Light科普坊

然后，剩余的光会到达血液中，血液中的血细胞等也会“留下来”一部分光，但是血液不同于静态组织，它们能“留下”的光的多少不是固定的，主要受到动脉血液容积的影响是时刻变化的，如图3所示，当心脏舒张时候，血液容量少，血管的厚度最小，那么 “留下”的光就很少。当心脏收缩时，血液容量大，血管的厚度最大，那么“留下”来更多的光。就这样光在经历我们的手指内部的“旅途”后就会有或多或少的衰减。

图3：PPG波形组成

图源：张森浩/Light科普坊

但是，总归是有光没有被我们的手指“留下来”，于是我们放置一个光电探测器来看看还有多少光反射回来（光电探测器可以将光的多少转变为电学信号）。我们通过记录这样的光的损耗，就得到了如图3所示的波形，其中由于心脏收缩和舒张引起的电学信号变化的部分我们把它叫做交流成分（AC），其他“留下”恒定数量光的部分叫做直流部分（DC）。提取其中的交流部分，我们就得到了PPG信号，也就是光电容积脉搏波描记法（PPG）。

“心动”的信号

经过了解光在手指的旅途之后得到的PPG信号后，我们想一想如何从PPG信号中得到我们想要的一些健康信息呢？下面我们进行详细解析。

01

心率

心率，代表着人每分钟心跳的次数。如图4所示，正如我们前面所说的，随着心脏的收缩和舒张我们可以看到PPG波形典型的特征峰，因此我们找到PPG的峰值，然后记数1分钟之内多少个峰值便知道了我们的心率是多少了。

图4：PPG如何得到心率

图源：张森浩/Light科普坊

02

心率变异性

健康的心脏的心跳拥有健康的“不规律”，这主要是因为心跳的这种不规律性是由我们的自主神经所控制的（它还调控着我们不受人主观控制的其他功能，包括呼吸、血压和消化）。

其中，自主神经分为两种模式，一种是负责“紧张与战斗”的交感神经主导模式，一种是负责“放松与消化”的副交感神经主导模式，如图5所示，心率变异性（HRV）是指逐次心跳周期差异的变化情况，当你“紧张与战斗”时，HRV比较低，当你“放松与消化”时，HRV比较高。我们通过上面心率的计算方法同样进一步计算出峰值和峰值之间的间隔，就可以通过计算得到HRV，因此就可以判断出来我们自主神经正在被哪种模式主导，进一步就可以知道我们的情绪水平、睡眠质量等等，帮助我们更好地调控我们的健康生活，牢牢地将健康的命脉握在自己的手中。

图5：PPG如何得到心率变异性（HRV）

图源：张森浩/Light科普坊

03

呼吸率

在我们实际获得的PPG信号如图6所示，不是稳定的信号而是有一定趋势的上下波动，这是由于呼吸造成的，因此我们把这种上下波动的趋势给分离出来后，就可以得到我们想要的呼吸波形。

图6：PPG如何得到呼吸率

图源：张森浩/Light科普坊

04

血氧含量

前面说到光到了血管中被“留下来”了一部分，如图7所示，其中我们不得不着重介绍一下其中的两个重要功臣氧合血红蛋白（HbO₂）和脱氧血红蛋白（Hb）。其中HbO₂就是血红蛋白与氧分子的结合物，因此通过计算氧合血红蛋白（HbO₂）占所有血红蛋白的百分比，就可以得到血氧含量了。

图7：脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白

图源：张森浩/Light科普坊

具体如何得到这样的百分比呢？我们首先来看如图8所示的这两种血红蛋白对于不同波长的光的吸收特性。我们会惊喜地发现脱氧血红蛋白更“喜欢”600-800 nm的红光，而氧合血红蛋白更“喜欢”800-1000 nm的近红外光。因此，我们可以同时利用红光和近红外光检测PPG信号，然后分析体内血红蛋白的吸收率，就可以得到相应的比值了。

图8：脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白对不同波长光的吸收特性

图源：张森浩/Light科普坊

从“上书架”到“上货架”

利用PPG可以实现如此多的健康信息的监测，随着PPG芯片向着低功耗、小型化、高精度的发展。基于此形成的PPG集成系统为了更好地监测我们的日常生活，如何减少环境光的干扰、如何减小运动对于信号的干扰、如何实现融入日常生活的便携化，成为了研发人员努力的重点。

正如图9所示，Iris所做的努力一样，巧妙地将智能传感硬件与戒指相结合来解决这样的问题，并且实现了我们健康信息的一些监测[2]。

图9：Iris智能健康戒指内部硬件结构图

图源：EPFL

我相信这一切只是开始，未来，我们健康信息的实时监测一定会有更加长远的发展。对于PPG应用的国内外优秀成果还有许多，比如可以利用PPG波形去分析脑部血氧水平，评判我们的脑部活跃程度，可以进行婴儿早期神经发育的筛查等应用[3]；同时利用PPG也可以对我们的肤色进行判断，可以应用至黄疸疾病的筛查[4]等……

智能戒指Iris的成功取决于科学家们不断的经验积累（Senbiosys团队在微电子和光学传感器领域发表了大约60 篇期刊文章，还获得了 11 项专利，其中一些是在EPFL获得的，这些工作被引用了大约 1000 次）[5]。它的出现对于我们具有借鉴意义，如何面对市场需求去做产品，如何实现科技成果转化，如何从“上书架”到“上货架”，希望通过这个成功案例，为国内的科学家们提供一些启示与思考。

参考资料

1. An Ultra Low-Noise Micropower PPG Sensor. [M] EPFL, 2020.

2. https://www.indiegogo.com/projects/iris-smart-ring#

3. A Wireless, Skin-interfaced Biosensor for Cerebral Hemodynamic Monitoring in Pediatric Care[J].. 2020,117:31674-31684

4. Battery-free, Stretchable Optoelectronic Systems for Wireless Optical Characterization of the Skin[J].2016:2:e1600418

5.Smart ring offers a simple way to monitor your health https://actu.epfl.ch/news/smart-ring-offers-a-simple-way-to-monitor-your-hea/

监制：赵阳

编辑：赵唯

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来源：中国光学

编辑：小范