晶能光電PPG傳感器在智能手表的應用

近期，一則微博消息引發了熱議。北京一名長期熬夜加班的男子，佩戴華為智能手表時被監測出心臟早搏風險，在301醫院的主動致電建議下，及時前往醫院作進一步的檢查，并確診心臟早搏。

而其實早在2015 年，蘋果手表用“心電監測”功能挽救了一位心臟病患者的生命， 讓人們看到了智能穿戴在健康監測上的優勢。當今，不少年輕人面臨著高壓工作環境，過度勞累、長期熬夜、暴飲暴食等不良工作生活方式給年輕人的身心造成了極大負擔，增加了患心腦血管疾病風險。心腦血管疾病已然成為年輕人健康的一大威脅。而越來越多的科技企業將心腦血管疾病監測預防等功能加入其產品中，智能手表無疑成為了時下最為熱門的品類。那么，曾一度被稱是“智商稅”的智能手表是如何關鍵時刻救命的呢？我們先來看看，智能手表實現心率和血氧監測的底層原理。

心率監測

心率的監測原理非常簡單：通過將綠光照射在手腕上的血管，在心臟跳動時，血液流量增多，綠光的吸收量會隨之變大，處于心臟跳動的間隙時血流會減少，吸收的綠光也會隨之降低。這種通過光學檢測心率的技術稱為「光電容積描記法(PPG)」，可精細化識別心律失常風險，對用戶進行疑似早搏和疑似房顫的風險篩查，從而達到守護健康的效果。

為什么選擇綠光呢?經過研究表明，綠色對于紅色來說是吸收率最大的顏色，發射綠光更容易被血液吸收，反射回去的數值也會更加準確。而且所監測的部位除了血液和血管，還有其他組織，這會帶來一定的信號“噪聲”，影響監測的準確性，而綠光的抗噪能力最強。我們經?？吹竭\動手環背后閃爍的“綠光”，就是綠光LED。

而 PPG 法不光可以獲取到心率，還能獲取其他心臟方面有價值的信息，比如：心率變異性(HRV)，也就是每一次心跳之間時間間隔的微小差異(圖中R-R interval的變化)，臨床上通過對HRV的分析能夠反映心臟自主神經系統的活動性、均衡性及相關的病理狀態等，是近年來比較受關注的無創性心理監測指標之一。

（圖片來自網絡）

血氧

使用 PPG 法還能監測另外一項重要的生命體征，就是血氧飽和度(SaO2)，即血液中的氧濃度。這個數據能直接表示出用戶是否存在缺氧癥狀。一般來說在平原地區正常情況下血氧飽和度為 100%，低于 90% 說明存在一定缺氧癥狀，而低于 80% 說明用戶有嚴重缺氧。

血氧監測一般分為兩種：透射式血氧傳感器和反射式血氧傳感器。消費類智能穿戴設備，比如智能手環及智能手表，普遍采用反射式光電檢測方案。指夾式血氧儀則使用的是透射式。

反射式基本原理就是：通過芯片將紅光和紅外光射向腕部，接收反射光線后，通過發射與接收的光強差來計算出血氧度。從生物技術的角度看：氧氣飽和的血紅蛋白(HbO2)可以吸收更多的紅外線,而不含氧的血紅蛋白(Hb)可以吸收更多的紅光。通過這一特性我們可以通過光線的反射來判斷體內血氧的變化。

相比而言透射式更準確一些，醫院的血氧監測儀基本上都是指夾式的，這種器械的優勢主要是測量部位非常合理-----針對手指。要知道手指的血管非常的豐富，非常便于測量。但是，隨著智能手環和手表硬件的更新換代，硬件的差距正在逐步縮小，到目前來說，智能手表、手環的測量精度已經基本夠正常人使用了。

（圖片來自網絡）

PPG傳感器

目前市場上智能手環、手表大多都采用PPG技術，內置光學心率血氧監測器，采用PPG技術的明顯特征是傳感器部位配備了綠色LED燈，其作用過程可簡化為光--> 電 --> 數字信號。

不過，這種測量方法也存在一些缺點：

功耗高。智能穿戴手表的PPG傳感器功耗高問題主要來自其中的綠光,監測心率的綠光接近24H/天工作頻率,而綠光為GaN材料,自身電壓偏高，導致整機器件功耗大,待機時間短。因此，如何降低綠光LED芯片的電壓成為光發射器的關鍵技術問題。

整體性能需提升。穿戴智能手表上的光學PPG傳感器存在整機性能不夠問題主要來自產品集成的光學傳感器的數量少，發射的光功率不夠高以及接收的光電轉換效率(表征為感光電流)不夠高，在用戶佩戴過程中會存在滑動時，導致隨著佩戴位置變化出現照射進皮膚的光源強度降低從而出來的采集到的信號偏低。

針對上述缺點，基于對LED光源的深刻理解，晶能光電運用獨特的硅襯底綠光LED芯片技術，通過優化PPG光反射器的封測結構和設計，降低芯片側壁、銀膠、鍍層等大量吸光造成的出光損耗，開發出綠光(520nm)LED、紅光(660nm)LED和紅外(940nm)LED三合一集成的光學PPG傳感器，相較于其他傳感器件產品，發射端信號強度更高,電壓更低，接收端響應度更高，進而表現出現更高的信噪比和更低功耗。

目前，晶能光電PPG傳感器已應用于國內主流智能手表、手環設備廠商，用“芯”守護心健康。未來，PPG技術還可以監測動脈硬化、關注孩子視力健康、應用于虛擬現實等等，晶能光電也將時刻關注市場和客戶需求，通過不斷的技術創新和大規模制造能力，為人類健康貢獻出更多的“芯”功臣。