提高生物傳感可穿戴設備心率監測性能的指南

在可穿戴設計過程中，一個關鍵步驟是將發光和光傳感元件的光機械集成到生物傳感手腕可穿戴設備中。選擇能夠最大限度地減少串擾和最大化信噪比的元件和幾何形狀會顯著影響信號質量。本應用筆記探討了為獲得最佳性能而需要考慮的光學和機械方面。光學部分側重于光與皮膚和血液的相互作用以及LED和光電探測器的選擇。機械部分提供了增加光學元件和皮膚之間耦合的建議。

介紹

基于手腕的可穿戴設備使用戶能夠更主動地控制自己的健康狀況，跟蹤健身、日?；顒雍退咂陂g的各種生理參數。跟蹤過程是方便的非侵入式的，因為集成到設備中的光學傳感器用于檢測心率信號并得出參數。這項技術已經在醫療領域建立起來，現在正在轉移到可穿戴手腕應用。

光學傳感器操作

光學傳感器利用一種稱為光電容積脈搏波（PPG）的原理來測量心率。隨著心臟泵血，動脈中運輸的血液量會發生變化。當心臟排出血液時（收縮期），更多的血液流經動脈，當心臟抽血時（舒張期）流更少的血液。當收縮期和舒張期心跳之間的血容量變化時，它會改變動脈層的光吸收系數。組織的光學照明以及透射光的測量揭示了由于血容量變化引起的吸收變化，并允許恢復心率脈動信號。

在身體的某些部位（例如手腕）進行透射式心率測量在邏輯上是困難的。因此，使用反射測量代替。反射式心率監測器由排列在同一平面上的光源和檢測器組成（圖 1）。發出的光穿透皮膚、組織和血管，被吸收、散射或反射。發射光的一小部分最終到達光電探測器。隨著動脈中的血液量隨著每次心跳而變化，吸收的光的比例以及隨后檢測器信號的強度也會發生變化。

圖1.反射光脈沖測量的原理。

當光線與皮膚相互作用時

皮膚由表面的三個主要層組成：無血表皮層（100μm厚），血管化真皮層（1-2mm厚）和皮下脂肪組織（1-10mm厚，取決于身體部位）。通常，這些層的光學特性以吸收（μ一個）和散射（μs） 系數和各向異性因子 （g）。

吸收系數表征在組織中行進的光子每單位路徑長度的平均吸收事件數?？梢姽庾V范圍內的主要吸收體是黑色素：由氧合血紅蛋白（Hb）、脫氧血紅蛋白（HbO）組成的血液2），和脂質。在紅外光譜范圍內，皮膚真皮的吸收特性以對水的吸收為主。

圖2顯示了人體皮膚的平面七層光學模型，包括角質層，活表皮（兩層真皮中的每一層分為兩層，第一狀真皮和上血網真皮以及第二網狀真皮和下血網真皮），最后是皮下脂肪組織層。表1列出了層的厚度，血液，水和黑色素含量的典型范圍，以及層的折射率。

圖2.七層皮膚模型，其中第一層和最外層是角質層，最內層是皮下脂肪組織或脂肪層。

如表1所示，心率搏動信號起源于躺在下血網真皮層的動脈床，是七層組織模型中的第六層。該層的吸收光譜可以使用組織成分的吸收光譜及其相應的體積分數使用以下公式計算：

μ一個（λ）= （Sμa，Hb（λ） + （1-S）μa，HbO2(λ))θ血 + μA，梅爾(λ)θ梅爾+ μa、水(λ)θ水 + μA，唇(λ)θ唇

哪里μA，梅爾0 $梅爾, μa、水0 $水, μA，唇0 $唇分別是黑色素、水和脂質的吸收系數和體積分數。μa，Hb和μa，HbO2是氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的吸收系數，θ血是血液的體積分數。S是血氧飽和系數，通常在健康個體中約為95%。使用公式1和測量的組織成分吸收光譜[1]下血網真皮中的吸收系數可以計算為波長的函數。圖 3 繪制了結果。

圖3.下血網真皮層中的吸收系數作為波長的函數。

峰值吸收系數對應于540nm和570nm附近的波長。在這些波長下，由于血容量變化引起的吸收變化最大，光電二極管測量最強的脈動信號。

選擇組件

LED 波長和效率

為了獲得最佳的PPG信號，即最大的交流心率信號，LED照明波長應盡可能接近血液HbO的吸收峰2在大約540nm和570nm處（圖3）。然而，由于LED在560nm左右的發光效率中已知的“綠色間隙”范圍，市售LED在這兩個所需波長下非常暗淡。因此，它們對于需要高信噪比（SNR）的實際應用并不是特別有用。因此，發射約530nm的綠色LED用于市場上大多數商用PPG傳感器。

Maxim Integrated探索了綠色吸收峰兩側的照明波長，廣泛使用的530nm真綠色LED和590nm的黃色LED。雖然這兩種波長都可從多家 LED 供應商處獲得大發光效率，但我們發現歐司朗 PointLED?[2]產品線為制造Maxim腕部PPG傳感器可穿戴原型提供最合適的外形。

光電二極管

可穿戴心率監測器中最關鍵的組件選擇之一是光電二極管。光電二極管是系統接收路徑中的第一級。市場上有許多光電二極管可供選擇，因此選擇在關鍵工作波長或其范圍內具有高響應度的光電二極管非常重要。響應度是每個光輸入的電輸出的量度，通常以每瓦入射輻射功率 （A/W） 產生的電流表示。高響應度設備可以檢測腕組織內散射返回的小心率信號。Si PIN光電二極管在可見光/NIR波長范圍內具有最大的響應度，可從許多制造商處獲得。Vishay 和歐司朗 Si PIN 光電二極管外形小巧，特別適用于生物傳感手腕可穿戴設備?[3,4].

光機械設計注意事項

概述

設計一個好的光學PPG解決方案非常復雜，而且經常被低估。讓我們考慮光學元件的集成，以制作用于手腕可穿戴設備的完整心率監測器。

成功的積分使傳感器接收到的信號和信噪比參數最大化。為了增加信噪比參數，我們可以最大化已經深入皮膚的信號以檢測PPG信號，同時最小化串擾，即來自PPG信號以外的來源的傳感器上的信號。圖4描述了典型的光機集成設計。在這里，LED和光電二極管被封裝在透明材料中，以在光學元件和手腕之間提供防潮層和界面。LED和光電二極管之間的屏障提供光學隔離，確保只有穿過皮膚組織的光才能到達并被光電二極管檢測到。整個組件從腕帶底部突出，以確保與皮膚緊密接觸。

圖4.典型的光機械設計。

封裝

與任何手腕可穿戴設計一樣，客戶需要某種密封劑進行光學設計。這種密封膠具有防水性能，還可以增加傳感器接收到的信號。折射率接近人體皮膚（~1.4）的密封膠可以最大限度地減少菲涅耳反射引起的透射損失。此外，提供一些“給予”的密封劑可以增加與皮膚的接觸面積和壓力。有機硅是常用的密封膠。表2提供了封裝材料的良好有機硅候選材料及其特性。

串擾抑制功能 – 光柵

串擾由光電二極管上的信號入射組成，這些信號未穿過任何皮膚層。高水平的串擾淹沒了脈動的心率信號，使可穿戴監護儀無法有效測量PPG。因此，LED發射和光電探測器之間的串擾應最小化，以獲得最佳性能。為了保持低水平的串擾，可以使用物理吸收光柵。示例屏障如圖 4 中的詳細信息視圖所示

臺面 – 增加與皮膚的接觸

串擾由光電二極管上的信號入射組成，這些信號未穿過任何皮膚層。高水平的串擾淹沒了脈動的心率信號，使可穿戴監護儀無法有效測量PPG。因此，LED發射和光電探測器之間的串擾應最小化，以獲得最佳性能。為了保持低水平的串擾，可以使用物理吸收光柵。示例屏障如圖 4 中的詳細信息視圖所示

LED和光電二極管之間的間隔距離

在開發反射式心率監測器時，從設計角度來看，確定LED和光電二極管之間的理想間隔距離非常重要。選擇距離時，請確?？梢詸z測到具有最大和最小脈沖分量的PPG信號。這些脈動成分不僅取決于照明組織中的動脈血量，還取決于外周血管床中的收縮期血脈強度。

有兩種技術可用于提高體積描記圖信號的質量。一種技術涉及使用大的LED驅動電流，該驅動電流使用較高的光強度來增加入射光的有效穿透深度。對于給定的LED-光電二極管分離，使用更高水平的入射光可以照亮更大的脈動血管床。因此，反射體積描記圖包含更大的脈動信號分量。然而，在實踐中，LED驅動電流被制造商限制在規定的最大功率耗散。另一種方法是將光電二極管放置在靠近LED的位置。但是，如果光電二極管離LED太近，則光電二極管會被皮膚中無血角質層和表皮層的入射光子多次散射獲得的大非脈沖分量飽和。對于恒定的LED強度，隨著LED和光電二極管之間的徑向距離的增加，光電二極管檢測到的總光大致呈指數級減少。換句話說，LED/光電二極管分離對綠色和黃色體積描記圖反射脈沖幅度的影響隨著分離的增加而降低。因此，在選擇特定的間隔距離時需要權衡取舍。將光電二極管放置在離LED更遠的地方，可以產生具有較大脈動信號分量的體積描記圖。然而，這種方法需要更高的LED驅動電流來克服由于光程長度增加而導致的吸收。

LED-光電二極管分離的模擬比較

為了評估 LED 與光電二極管分離的影響，讓我們定義 PPG 測量的兩個關鍵品質因數：收集效率 （CE） 和灌注指數 （PI）。

CE是給定LED輸出的光電二極管功率回流的分數。入射到光電二極管上的光信號被轉換為電流，由一個大的恒定直流和一個小的可變交流分量組成。直流分量不包含心率信息，而交流分量對應于搏動動脈血[5]，如圖 5 所示。

PI，定義為AC與DC的比率，是外周組織中脈動血流與非脈動靜態血流的比率。PI指示傳感器部位的脈沖強度。PI 越高，性能越好。PI取決于通過下血網真皮的路徑長度l和吸收系數Δμ的變化，這兩者都與波長有關。

PI=交流/直流= lΔμ

PI 因皮膚類型、運動偽影、環境光、健康水平和體內脂肪含量而異。在基于手腕的應用中，PI 值的范圍從非常弱的脈沖的 0.02% 到極強脈沖的 2%。

由于良好的PPG信號是總功率和PI之間的權衡，因此在確定最佳LED/光電二極管間距時要檢查的品質因數是CE和PI（CE×PI）的乘積。該量與交流信號強度成正比，較高的CE×PI值對應于更大的交流信號。

圖5.皮膚的光吸收圖以及相應的直流和交流水平。

光線跡模擬用于確定LED-光電二極管分離對PI的影響。該模擬使用蒙特卡羅方法來追蹤在復雜、不均勻、隨機散射和吸收介質中傳播的光線。模擬的幾何形狀由1mm×1mm有效區域探測器組成，距離朗伯發光LED1mm至10mm。皮膚的七層模型放置在LED和探測器上方。圖 6 顯示了仿真設置。

圖6.用于確定最佳 LED 光電二極管分離的仿真設置。

仿真確定給定波長和 LED 光電二極管間距的收集效率。對仿真結果進行后處理，在下血網真皮層中產生相應的路徑長度。知道光程長度l和吸收系數的變化Δμ，PI可以通過公式2計算。圖 7、圖 8 和圖 9 給出了 530nm、560nm、574nm 和 590nm 的仿真結果。在圖9中可以明顯看出，高達3mm LED與光電二極管的間距，574nm產生的PPG信號最高。在3mm分離以上，590nm PPG信號質量優于其他波長。

圖7.收集效率與 LED 光電二極管間距的關系。

圖8.灌注指數是 LED 光電二極管間距的函數。

圖9.CE和PI的乘積與LED光電二極管間距的函數關系。

Maxim提供適用于可穿戴、基于手腕的心率檢測應用的IC。MAX86140/MAX86141器件是完整的集成式光學數據采集系統，理想用于光學脈搏血氧飽和度和心率檢測應用。兩者都包括高分辨率光學讀數、具有環境光消除功能的信號處理通道以及大電流LED驅動器DAC，以形成完整的光學讀出信號鏈。MAX86140由一個光學讀出通道組成，而MAX86141具有兩個可同時工作的光學讀出通道。MAX86140/MAX86141具有三個LED驅動器，非常適合多種光學檢測應用。

雖然MAX86140/MAX86141器件負責數據采集，但設計人員必須決定如何將LED和光電探測器集成到工業設計中。本應用筆記概述了反射式心率監測器的工作原理，包括與皮膚的相互作用以及發光和傳感元件的選擇。

總結

得益于小巧、強大的模擬前端電子設備，設計人員現在可以更輕松地將心率監測等生物傳感功能集成到消費類手腕可穿戴設備中。仔細選擇光學元件和將光機械集成到最終設計中是影響這些可穿戴傳感器性能的重要因素。選擇光學元件時，請仔細考慮LED的波長和發光效率，波長和光電二極管的響應度。對于最高質量的信號，重要的考慮因素包括封裝、串擾抑制屏障以及仔細確定 LED 與光電二極管的分離。

審核編輯：郭婷