將心率監(jiān)測(cè)器與耳塞式耳機(jī)中的光機(jī)械集成是設(shè)計(jì)健身追蹤耳塞設(shè)備的基本步驟。選擇最小化串?dāng)_和最大化信號(hào)的設(shè)計(jì)會(huì)極大地影響信號(hào)的質(zhì)量。本應(yīng)用筆記討論了為獲得最佳性能而需要考慮的光學(xué)和機(jī)械方面。光學(xué)設(shè)計(jì)側(cè)重于光與皮膚和血液的相互作用。機(jī)械設(shè)計(jì)提供了增加與光學(xué)元件和表皮耦合的建議。

介紹

越來(lái)越多的人借助可穿戴健身臂帶和智能手表來(lái)跟蹤他們的身體健康狀況。這些活動(dòng)追蹤器使用光學(xué)傳感器來(lái)測(cè)量心率和其他生物特征值。這項(xiàng)技術(shù)在可穿戴手腕應(yīng)用中建立起來(lái)，現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)移到可穿戴耳塞上。

Maxim Integrated 的 MAX86160 和 MAXM86161 是集成式心率傳感器模塊，針對(duì)耳塞應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。兩個(gè)模塊均包括內(nèi)部 LED、光電探測(cè)器、紅外傳感器和具有高動(dòng)態(tài)范圍環(huán)境光抑制功能的低噪聲電子器件。這些產(chǎn)品是一個(gè)完整的系統(tǒng)解決方案，并帶有即插即用的軟件和強(qiáng)大的算法，可為用戶(hù)提供有意義的輸出。雖然模塊負(fù)責(zé)LED、光電探測(cè)器和電子模塊的集成，但客戶(hù)必須決定如何最好地將模塊集成到耳塞的工業(yè)設(shè)計(jì)中。本應(yīng)用筆記概述了反射式心率監(jiān)測(cè)器（如MAX86160/MAXM86161）的工作原理，并就如何將Maxim的心率監(jiān)測(cè)器集成到耳塞式器件中提供了實(shí)用建議。

操作理論

光電容積脈搏波（PPG）是光學(xué)傳感器測(cè)量心率的原理。隨著心臟泵血，動(dòng)脈中運(yùn)輸?shù)难毫繒?huì)發(fā)生變化。當(dāng)心臟排出血液時(shí)（收縮期），更多的血液流經(jīng)動(dòng)脈，當(dāng)心臟抽血時(shí)（舒張期）流更少的血流。當(dāng)收縮期和舒張期心跳之間的血容量變化時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致動(dòng)脈層的光吸收系數(shù)發(fā)生變化。通過(guò)光學(xué)照射組織并測(cè)量透射光，可以確定由于血容量變化引起的吸收變化，并且可以恢復(fù)心率搏動(dòng)信號(hào)。

在身體的某些區(qū)域（例如耳朵），透射式心率測(cè)量在邏輯上是困難的，因此使用反射測(cè)量。反射式心率監(jiān)測(cè)器由排列在同一平面上的光源和檢測(cè)器組成（圖 1）。發(fā)出的光穿透皮膚、組織和血管，并被吸收、散射或反射回光電探測(cè)器上。由于動(dòng)脈中的血液量隨著心臟的每一次跳動(dòng)而變化，因此吸收的光量和檢測(cè)器信號(hào)的強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化。

圖1.反射光脈沖測(cè)量的原理。

光與皮膚的相互作用

皮膚由表面的三個(gè)主要層組成：無(wú)血表皮層（100μm厚），血管化真皮層（1mm至2mm厚）和皮下脂肪組織（1mm至10mm厚，取決于身體部位）。通常，這些層的光學(xué)特性由吸收（μa）、散射μs系數(shù)和各向異性因子（g）表征。

吸收系數(shù)表征在組織中行進(jìn)的光子每單位路徑長(zhǎng)度的平均吸收事件數(shù)?？梢?jiàn)光譜范圍內(nèi)的主要吸收劑是黑色素，黑色素是由氧合血紅蛋白（Hb）、脫氧血紅蛋白（HbO）組成的血液2），和脂質(zhì)。在紅外光譜范圍內(nèi)，水的吸收主導(dǎo)著皮膚真皮的吸收特性。

圖2是人體皮膚的平面七層光學(xué)模型。此模型中包含的層如下：

角質(zhì)層

兩層活表皮。

第一層包含狀真皮和上血網(wǎng)真皮

第二層包含網(wǎng)狀真皮和下血網(wǎng)真皮

皮下脂肪組織

圖2.七層皮膚模型。第一層和最外層是角質(zhì)層，最內(nèi)層是皮下脂肪組織或脂肪層。

心率搏動(dòng)信號(hào)來(lái)源于躺在下血網(wǎng)真皮層的動(dòng)脈床，這是表1中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(yīng)的體積分?jǐn)?shù)使用以下公式計(jì)算：

μa（λ） = （Sμa.Hb（λ） + （1 - S）μa.HbO2(λ))θ血 + μA.梅爾(λ)θ梅爾 + μa.水(λ)θ水 + μA.利普(λ)θ唇

哪里μA.梅爾0 $梅爾, μa.水, μ水, μA.利普0 $唇分別是黑色素、水和脂質(zhì)的吸收系數(shù)和體積分?jǐn)?shù)。μA.HB和μa.HbO2是氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的吸收系數(shù)，θ血是血液的體積分?jǐn)?shù)。S是血氧飽和系數(shù)，通常在健康個(gè)體中約為95%。

使用公式1和組織成分的測(cè)量吸收光譜[1]計(jì)算下血網(wǎng)真皮中的吸收系數(shù)作為波長(zhǎng)的函數(shù)。圖 3 繪制了結(jié)果。

圖3.下血網(wǎng)真皮層中的吸收系數(shù)作為波長(zhǎng)的函數(shù)。

光機(jī)械設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

設(shè)計(jì)一個(gè)好的PPG解決方案是非常復(fù)雜的，而且經(jīng)常被低估。幸運(yùn)的是，Maxim Integrated的模塊將發(fā)光元件、光電探測(cè)器和低噪聲電子元件集成到一個(gè)模塊中，在附有蓋板玻璃下，解決了設(shè)計(jì)中最具挑戰(zhàn)性的部分。但是，從光機(jī)械的角度來(lái)看，心率模塊仍然需要成功融入耳塞設(shè)計(jì)中，以確?？煽亢途_的光信號(hào)。成功的集成使傳感器接收到的信號(hào)和信噪比最大化。通過(guò)最大化滲透到皮膚足夠深的信號(hào)以產(chǎn)生PPG信號(hào)并最大限度地減少串?dāng)_，最大限度地提高信噪比。串?dāng)_是傳感器上來(lái)自PPG信號(hào)以外的信號(hào)源的信號(hào)。

圖4顯示了典型的光機(jī)集成。LED/傳感器模塊位于客戶(hù)的工業(yè)設(shè)計(jì)之下。工業(yè)設(shè)計(jì)由透明蓋組成，該蓋子用作模塊和耳朵之間的防潮層和接口。Maxim模塊在LED和光電探測(cè)器之間提供內(nèi)部串?dāng)_屏障，但客戶(hù)可以使用額外的外部屏障來(lái)進(jìn)一步抑制串?dāng)_。有許多方法可以將串?dāng)_屏障和透明蓋集成到耳塞設(shè)計(jì)中。

圖4.典型的光機(jī)械設(shè)計(jì)。

透明蓋

為透明蓋選擇一種材料，該材料在心率監(jiān)測(cè)器使用的波長(zhǎng)中具有高透射率（大于 90%），以最大限度地提高發(fā)射到皮膚中的光和從皮膚返回的信號(hào)。為了盡量減少傳輸損耗，透明蓋應(yīng)盡可能薄，同時(shí)仍提供堅(jiān)固性以承受正常磨損。此外，透明蓋應(yīng)具有接近人體皮膚的折射率（約1.4），以最大程度地減少菲涅耳反射引起的透射損失。

康寧大猩猩玻璃符合這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)?？祵幋笮尚刹ＡУ恼凵渎蕿?.5，Maxim模塊工作波長(zhǎng)（532nm和880nm）處的透射率超過(guò)91%，玻璃提供了厚度薄至200μm的結(jié)構(gòu)良好的蓋板。其他潛在的候選材料包括丙烯酸樹(shù)脂和聚碳酸酯。??

將模塊集成到工業(yè)設(shè)計(jì)中的另一種方法是將模塊封裝在透明材料中。密封膠不僅具有防水性能，而且還增加了傳感器接收到的信號(hào)。通過(guò)選擇折射率接近人體皮膚的密封膠，最大限度地減少菲涅耳反射引起的傳輸損耗。此外，提供一些“給予”的密封劑會(huì)增加與皮膚的接觸面積和壓力。有機(jī)硅是常用的密封膠。表2列出了良好的候選有機(jī)硅及其作為封裝材料選擇的特性。

氣隙

由于機(jī)械公差，傳感器頂部和蓋玻片之間需要有氣隙。然而，引入氣隙允許光線(xiàn)從蓋玻片底部反射并擊中光電探測(cè)器。這種不需要的光線(xiàn)沒(méi)有穿過(guò)皮膚并降低心率監(jiān)測(cè)器的性能。隨著氣隙的增加，串?dāng)_增加。因此，氣隙應(yīng)保持在最小。此外，氣隙的增加會(huì)增加信號(hào)到達(dá)傳感器所需的路徑長(zhǎng)度，從而減少傳感器接收的總信號(hào)。這是傳感器/LED之間氣隙最小化的另一個(gè)原因。我們建議不要超過(guò) 0.8 毫米的氣隙，以確?？山邮艿男阅?。

串?dāng)_抑制功能 - 光柵和墨水

為了獲得最佳性能，請(qǐng)盡量減少 LED 和光電探測(cè)器發(fā)出的光之間的串?dāng)_。Maxim模塊具有內(nèi)部光柵，可保持較低的串?dāng)_水平。以下方法也可以最大限度地減少串?dāng)_：

額外的外部光柵

在蓋玻片上，光線(xiàn)從蓋玻片反射回光電探測(cè)器的區(qū)域的吸收性油墨沉積（也稱(chēng)為墨跡）

墨跡書(shū)寫(xiě)還有一個(gè)額外的好處，即部分遮擋了用戶(hù)的電子設(shè)備，并使最終產(chǎn)品更賞心悅目。圖 5 顯示了這方面的示例。

圖5.光障 （a） 和墨跡書(shū)寫(xiě) （b）。

視野

為了最大化皮膚上的入射光和光電探測(cè)器上的返回信號(hào)，模塊的發(fā)射區(qū)域和視野不應(yīng)受到阻礙。例如，圖6所示的電梯井型結(jié)構(gòu)減少了入射到光電探測(cè)器上的信號(hào)，因?yàn)槠つw上的入射光被阻擋或吸收，并且并非所有信號(hào)都能夠到達(dá)光電探測(cè)器。

圖6.視野受阻。紅色射線(xiàn)顯示的光可能貢獻(xiàn)了信號(hào)，但信號(hào)被大氣隙和狹窄的開(kāi)口阻擋。

組織接觸

當(dāng)透明蓋未正確耦合到設(shè)備和組織時(shí)，運(yùn)動(dòng)偽影會(huì)成為主要的噪聲源。透明蓋周?chē)梢允褂萌犴g的材料，以確保心率檢測(cè)所需的皮膚接觸。

關(guān)鍵參數(shù)的模擬比較

為了評(píng)估蓋板玻璃參數(shù)、氣隙和串?dāng)_抑制功能的影響，請(qǐng)考慮PPG測(cè)量的兩個(gè)關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)：灌注指數(shù)（PI）和串?dāng)_。

PI是檢測(cè)到的PPG信號(hào)的交流/直流比。PI 越高，性能越好。入射到光電探測(cè)器上的光信號(hào)由一個(gè)大的恒定直流和一個(gè)小的可變交流分量組成。直流分量不包含心率信息，而直流分量對(duì)應(yīng)于搏動(dòng)動(dòng)脈血[2]（圖7）。

串?dāng)_是沒(méi)有穿過(guò)任何皮膚的信號(hào)，可以通過(guò)其串?dāng)_分?jǐn)?shù)來(lái)量化，串?dāng)_分?jǐn)?shù)是尚未到達(dá)皮膚的信號(hào)與光電探測(cè)器上返回的總信號(hào)的比率。較高的串?dāng)_會(huì)降低PPG信號(hào)并降低PI。

圖7.皮膚的光吸收和相應(yīng)的直流和交流水平。

光線(xiàn)追蹤仿真演示了蓋玻片厚度、氣隙和屏障的影響。該模擬使用蒙特卡羅方法來(lái)追蹤在復(fù)雜、不均勻、隨機(jī)散射和吸收介質(zhì)中傳播的光線(xiàn)。皮膚的七層模型用于模擬耳朵的光學(xué)特性。

首先，模擬了氣隙變化對(duì)串?dāng)_的影響。對(duì)厚度為0.4mm的康寧大猩猩玻璃蓋板玻璃進(jìn)行了0.1mm至1.5mm的氣隙評(píng)估。隨著氣隙的增加，串?dāng)_自然也隨之增加。

通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行后處理來(lái)評(píng)估串?dāng)_增加對(duì)性能的影響，以確定PI變化與氣隙的函數(shù)關(guān)系。結(jié)果表明串?dāng)_對(duì)PPG信號(hào)質(zhì)量的損害有多大（圖8）。

圖8.光電探測(cè)器上的串?dāng)_信號(hào)與氣隙的關(guān)系。

圖9.PI 作為氣隙的函數(shù)。

接下來(lái)，模擬了蓋玻片厚度變化對(duì)串?dāng)_的影響。使用康寧大猩猩玻璃進(jìn)行模擬，厚度為0.2mm至1.0mm，固定氣隙為0.2mm。結(jié)果表明，隨著玻璃厚度的增加，串?dāng)_也會(huì)增加（圖10）。這種串?dāng)_是由于玻璃內(nèi)部的光從LED引導(dǎo)到光電探測(cè)器。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，確定蓋玻片厚度增加導(dǎo)致串?dāng)_增加對(duì)PI的影響（圖11）。

圖 10.光電探測(cè)器上的串?dāng)_與蓋玻片厚度的關(guān)系。

圖 11.光電探測(cè)器上的PI作為蓋玻片厚度的函數(shù)。

正如預(yù)期的那樣，由于蓋玻片引入串?dāng)_，心率監(jiān)測(cè)器的PPG信號(hào)在放置在蓋玻片后面時(shí)會(huì)降低。隨著蓋玻片厚度的增加，這種降解變得更加嚴(yán)重。此外，由于通過(guò)蓋玻片的傳輸損耗，光電探測(cè)器上的總信號(hào)隨著厚度的增加而減小。由于這些原因，應(yīng)盡量減少蓋板玻璃的厚度。但是，太薄的蓋板玻璃太脆弱，容易碎裂。因此，有必要在最終客戶(hù)的工業(yè)設(shè)計(jì)中找到性能和機(jī)械穩(wěn)定性之間的平衡。

總結(jié)

將 LED、光電探測(cè)器、紅外傳感器和低噪聲電子元件集成到心率測(cè)量模塊中，有助于將生物傳感功能整合到耳塞等消費(fèi)類(lèi)可穿戴設(shè)備中。這些模塊的性能在很大程度上取決于它們與最終客戶(hù)設(shè)計(jì)的光機(jī)械集成。本應(yīng)用筆記概述了成功集成反射式心率監(jiān)測(cè)模塊需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)，并討論了每個(gè)參數(shù)如何影響性能。為確保最高質(zhì)量的信號(hào)，請(qǐng)使用高透射蓋玻片，并盡量減少蓋玻片和心率監(jiān)測(cè)模塊之間的氣隙。蓋板玻璃厚度是機(jī)械剛性問(wèn)題和性能之間的權(quán)衡。屏障和吸收性墨跡等外部特征可以大大減少LED和光電探測(cè)器之間的串?dāng)_，以增強(qiáng)PPG信號(hào)。

審核編輯：郭婷