光学生物传感器有什么特点？

2021-06-10

光学生物传感器有什么特点？

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提供了有关如何将光学技术用于生物分析应用的技术背景。本文概述了将反射计用于脉冲体积描记器 (PPG) 波形，并描述了工作中的物理和生理原理。移动和可穿戴应用中光学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户群体之间的生理变化。它还总结了可穿戴生物传感器的当前能力和光学生物传感应用的未来方向。

概述：光学生物传感

光学方法是最常见的植物和动物生物传感方法之一。例如，卫星遥感设备通常使用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，作为医生就诊前测量生命体征的常规部分。

这种广泛的应用反映了光学传感的多功能性，光，相干或非相干，与穿过的物质相互作用并被吸收、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幅度和形状、它们的光谱内容和偏振，以获取有关光脉冲穿过的介质中分析物的信息。

通过 PPG 实时监测血流

体积描记图是一种体积测量。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动脉。PPG 使用光来检查组织。由于组织中的血液比周围组织吸收更多的光，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。

根据光源和光电探测器的相对位置，PPG 有两种可能的配置：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，它们可以在同一侧。反射配置利用了身体组织的光散射效应，以下部分将对此进行讨论。

虽然 PPG 通常在诊所和医院使用指夹进行，但也可以在许多其他身体部位获得有效的 PPG 信号，只要容易接近富含血管的组织，尤其是在使用反射配置时。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。其中一些替代位置允许运动设备和可穿戴设备集成 PPG 传感器，并取得了不同的成功，正如本系列的第二部分将解释的那样。

通过组织进行光学测量

可见到近红外 (NIR) 光可以穿透几毫米进入身体组织。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。光组织相互作用取决于不同的组织成分和所用光的波长。这些变化允许 PPG 信号传达许多信息。

后向散射光通过脉动动脉血容量进行调制，而其他组织成分的吸收保持不变。从简化的角度来看，这些导致光电探测器输出中的交流分量与受试者的体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）。

不同波长的光被人体吸收的程度不同。例如，许多 PPG 设备包括一个或多个绿色 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反射环境光造成的污染。但由于吸收性强，穿透深度也有限，所以只适用于血液灌注充足的地区。

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

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 集成电路,MAX30112，包括专门的信号处理和采样方案，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电力线频率（即 50 或 60Hz，具体取决于位置）的闪烁，它可以掩盖 PPG 信号的交流分量中携带的信息。

运动伪影可能是由于组织和光电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穿戴设备中，运动伪影会使测量一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

一旦信号处理消除了伪影并放大了 PPG 波形，就会使用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，称为峰峰间隔，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，与每搏输出量有关，可表示血管收缩或舒张，也可反映冷敏感性、对麻醉剂的反应、失血、体温过低等。 脉宽和脉搏面积还与全身血管阻力相关，这可以反映患者的药物相互作用或血液粘度。

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。这两个指标都可以告知受试者的心脏健康状况。

我们还可以比较来自多个波长的光源的 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吸收红光，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 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

身体补水

静脉反流病（静脉曲张）的严重程度

静脉功能

冷敏感

血压

心输出量

比较 PPG 与替代传感方法

PPG 已被用于测量广泛的生理条件。然而，它最吸引人的品质是它的易用性和非侵入性。由于专用 PPG 电路的进步，光电容积描记术具有便携性、低功耗和易于实施的特点。

由于 PPG 和心电图 (ECG) 都用于测量心脏活动，因此经常将它们进行比较。许多临床研究已经检查了 PPG 在不同使用场景下的性能与 ECG 的长期心率变异性 (HRV) 测量结果。他们普遍发现 PPG 提供了一种实用的 ECG 替代方案。然而，应该注意的是，如果光电探测器不能与组织保持良好接触（由于误解的运动伪影），PPG 可能会提供错误读数。