光學(xué)生物(wù)传感器有(yǒu)什么特点？

2021-06-10

光學(xué)生物(wù)传感器有(yǒu)什么特点？

光學(xué)传感器代表了最常见的生物(wù)传感器类型。这个由两部分(fēn)组成的系列提供了有(yǒu)关如何将光學(xué)技术用(yòng)于生物(wù)分(fēn)析应用(yòng)的技术背景。本文(wén)概述了将反射计用(yòng)于脉冲體(tǐ)积描记器 (PPG) 波形，并描述了工作中的物(wù)理(lǐ)和生理(lǐ)原理(lǐ)。移动和可(kě)穿戴应用(yòng)中光學(xué)传感器的常见噪声和误差源，包括测量中捕获的环境混杂因素的影响以及用(yòng)户群體(tǐ)之间的生理(lǐ)变化。它还总结了可(kě)穿戴生物(wù)传感器的当前能(néng)力和光學(xué)生物(wù)传感应用(yòng)的未来方向。

概述：光學(xué)生物(wù)传感

光學(xué)方法是最常见的植物(wù)和动物(wù)生物(wù)传感方法之一。例如，卫星遥感设备通常使用(yòng)反射质量来确定植被的绿度和压力。护士将脉搏血氧仪夹在患者的指尖上，作為(wèi)医生就诊前测量生命體(tǐ)征的常规部分(fēn)。

这种广泛的应用(yòng)反映了光學(xué)传感的多(duō)功能(néng)性，光，相干或非相干，与穿过的物(wù)质相互作用(yòng)并被吸收、反射、散射、分(fēn)散或以其他(tā)方式改变。科(kē)學(xué)家可(kě)以检查光脉冲的幅度和形状、它们的光谱内容和偏振，以获取有(yǒu)关光脉冲穿过的介质中分(fēn)析物(wù)的信息。

通过 PPG 实时监测血流

體(tǐ)积描记图是一种體(tǐ)积测量。随着血液流动，心血管脉搏波从心脏传出并传播到全身，周期性地扩张皮下组织中的动脉和小(xiǎo)动脉。PPG 使用(yòng)光来检查组织。由于组织中的血液比周围组织吸收更多(duō)的光，因此血液量的减少会导致反射回来或反向散射的光强度增加。

根据光源和光電(diàn)探测器的相对位置，PPG 有(yǒu)两种可(kě)能(néng)的配置：透射吸收和反射。在透射配置中，光源和传感器位于组织的直接相对侧。在反射布置中，它们可(kě)以在同一侧。反射配置利用(yòng)了身體(tǐ)组织的光散射效应，以下部分(fēn)将对此进行讨论。

虽然 PPG 通常在诊所和医院使用(yòng)指夹进行，但也可(kě)以在许多(duō)其他(tā)身體(tǐ)部位获得有(yǒu)效的 PPG 信号，只要容易接近富含血管的组织，尤其是在使用(yòng)反射配置时。例如前额、外耳道、二头肌或小(xiǎo)腿肌肉周围的區(qū)域，甚至手腕周围的區(qū)域。其中一些替代位置允许运动设备和可(kě)穿戴设备集成 PPG 传感器，并取得了不同的成功，正如本系列的第二部分(fēn)将解释的那样。

通过组织进行光學(xué)测量

可(kě)见到近红外 (NIR) 光可(kě)以穿透几毫米进入身體(tǐ)组织。由于光会被血液、黑色素、脂肪和水吸收，因此穿透力受到限制。在该范围内，光主要是散射的，因此会迅速扩散。光组织相互作用(yòng)取决于不同的组织成分(fēn)和所用(yòng)光的波長(cháng)。这些变化允许 PPG 信号传达许多(duō)信息。

后向散射光通过脉动动脉血容量进行调制，而其他(tā)组织成分(fēn)的吸收保持不变。从简化的角度来看，这些导致光電(diàn)探测器输出中的交流分(fēn)量与受试者的體(tǐ)积描记信号同步并成比例，直流信号是光源和光路中组织的恒定吸收的函数（图1）。

不同波長(cháng)的光被人體(tǐ)吸收的程度不同。例如，许多(duō) PPG 设备包括一个或多(duō)个绿色 LED。绿光很(hěn)容易被我们的身體(tǐ)吸收，因此专注于绿光可(kě)以减轻反射环境光造成的污染。但由于吸收性强，穿透深度也有(yǒu)限，所以只适用(yòng)于血液灌注充足的地區(qū)。

血红蛋白还强烈吸收绿光，使其难以深入组织。用(yòng)于脉搏血氧仪的 PPG 的医疗实施使用(yòng) NIR 光源。红光深入人體(tǐ)，提供丰富的生理(lǐ)信号来源。

常见的 PPG 信号伪影

PPG 信号通常不仅包含穿过组织的反向散射光，还包含由环境光引入的伪影以及与组织的不良连接。其他(tā)因素也会影响 PPG 信号的质量。这些包括对象的皮肤结构、皮肤色素，甚至皮肤温度。先进的 PPG 集成電(diàn)路,MAX30112，包括专门的信号处理(lǐ)和采样方案，以在节省工作功率的同时消除其中的一些伪影。

环境光污染是可(kě)穿戴设备设计人员面临的最常见问题之一。不仅环境光不断变化，室内灯通常还包含跟踪電(diàn)力線(xiàn)频率（即 50 或 60Hz，具體(tǐ)取决于位置）的闪烁，它可(kě)以掩盖 PPG 信号的交流分(fēn)量中携带的信息。

运动伪影可(kě)能(néng)是由于组织和光電(diàn)探测器的间歇性接触不良造成的。在无法限制受试者运动的可(kě)穿戴设备中，运动伪影会使测量一些缓慢的生理(lǐ)变化变得困难。

PPG 的另一个问题是可(kě)检测的信号幅度受皮肤或皮肤色素的黑色素浓度影响。按照设计，黑色素会衰减入射光波長(cháng)。发现是没有(yǒu)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(kě)以通过使用(yòng)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导致的微弱信号，在该频率下黑色素的吸收性较差。

来自 PPG 的见解

一旦信号处理(lǐ)消除了伪影并放大了 PPG 波形，就会使用(yòng)高级算法来提取和解释其特征。图 2 显示了一个典型的 PPG 波形。

两个连续收缩峰之间的距离，称為(wèi)峰峰间隔，代表一个完整的心脏周期。

图 2 典型 PPG 波形

收缩幅度表示由动脉血流量引起的血容量变化，与每搏输出量有(yǒu)关，可(kě)表示血管收缩或舒张，也可(kě)反映冷敏感性、对麻醉剂的反应、失血、體(tǐ)温过低等。 脉宽和脉搏面积还与全身血管阻力相关，这可(kě)以反映患者的药物(wù)相互作用(yòng)或血液粘度。

扩张指数，即舒张期峰值和收缩期峰值之间的比率是主动脉僵硬度的指标。收缩和舒张峰值之间的时间延迟随着受试者的年龄而缩短，并且给定受试者的身高，提供了大动脉僵硬的指标。这两个指标都可(kě)以告知受试者的心脏健康状况。

我们还可(kě)以比较来自多(duō)个波長(cháng)的光源的 PPG 信号，例如，通过比较通过同一组织的红色和红外 LED 的光吸收来确定其氧饱和度水平。脱氧血红蛋白比氧合血红蛋白更能(néng)吸收红光，而氧合血红蛋白可(kě)以更好地吸收红外線(xiàn)（因此与动脉血相比，静脉血呈深蓝色）。因此，血液氧合与反射红光和红外光的比率成正比。

使用(yòng) PPG 的成功测量和建议测量包括：

心率和心率变化

呼吸频率

血氧饱和度

身體(tǐ)补水

静脉反流病（静脉曲张）的严重程度

静脉功能(néng)

冷敏感

血压

心输出量

比较 PPG 与替代传感方法

PPG 已被用(yòng)于测量广泛的生理(lǐ)条件。然而，它最吸引人的品质是它的易用(yòng)性和非侵入性。由于专用(yòng) PPG 電(diàn)路的进步，光電(diàn)容积描记术具有(yǒu)便携性、低功耗和易于实施的特点。

由于 PPG 和心電(diàn)图 (ECG) 都用(yòng)于测量心脏活动，因此经常将它们进行比较。许多(duō)临床研究已经检查了 PPG 在不同使用(yòng)场景下的性能(néng)与 ECG 的長(cháng)期心率变异性 (HRV) 测量结果。他(tā)们普遍发现 PPG 提供了一种实用(yòng)的 ECG 替代方案。然而，应该注意的是，如果光電(diàn)探测器不能(néng)与组织保持良好接触（由于误解的运动伪影），PPG 可(kě)能(néng)会提供错误读数。