光學(xué)傳感器是最常見(jiàn)的生物傳感器類型。本應(yīng)用筆記概述了反射計(jì)在脈沖體積描記儀（PPG）波形中的應(yīng)用，并描述了物理和生理原理的工作原理。

介紹

光學(xué)方法是植物和動(dòng)物生物傳感的最常見(jiàn)方法之一。例如，遠(yuǎn)程 衛(wèi)星設(shè)備通常使用反射質(zhì)量來(lái)確定 植被和脈搏血氧儀使用脈搏體積描記儀 （PPG） 傳感器收集生命體征數(shù)據(jù) 在醫(yī)生就診期間。事實(shí)上，正如這些應(yīng)用示例所示，光學(xué)傳感是相當(dāng)通用的。光 無(wú)論是相干的還是非相干的，在物質(zhì)通過(guò)時(shí)與物質(zhì)相互作用，并被吸收、反射， 分散、分散或以其他方式改變?？茖W(xué)家可以檢查光脈沖的大小和形狀， 它們的光譜含量和偏振，以得出有關(guān)介質(zhì)中分析物的信息，即光 脈搏已經(jīng)遍歷。

監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)血流

體積描記圖是一種體積測(cè)量。當(dāng)血液流動(dòng)時(shí)，心血管脈搏波從心臟傳播， 在體內(nèi)繁殖，周期性地?cái)U(kuò)張皮下組織中的動(dòng)脈和小動(dòng)脈。PPG 使用光來(lái)詢問(wèn)組織片，通過(guò)組織接收到的光對(duì)應(yīng)于 血容量的變化。

根據(jù)光源和光電探測(cè)器的相對(duì)位置，有兩種配置 PPG：透射吸收和反射。在透射式配置中，光源和傳感器打開(kāi) 組織正對(duì)側(cè)。在反射安排中，它們可以在同一側(cè)。反射 配置利用了身體組織的光散射效應(yīng)。

在今天的診所和醫(yī)院，PPG通常使用指夾進(jìn)行。但是，只要有容易 進(jìn)入富含血管的組織，可以在許多其他身體部位獲得有效的PPG信號(hào)。 使用反射式配置時(shí)尤其如此。前額、外耳道、周圍區(qū)域 二頭肌或小腿肌肉，甚至手腕周圍的區(qū)域都是這種身體位置的一些例子。

通過(guò)組織進(jìn)行光學(xué)測(cè)量

可見(jiàn)光到近紅外（NIR）光可以穿透身體組織的深度。由于光被血液吸收， 黑色素，脂肪和水，滲透有限。在該范圍內(nèi)，光主要是散射的，因此， 迅速擴(kuò)散。光組織相互作用取決于不同的組織成分和波長(zhǎng) 使用的光。鑒于這些變化，PPG信號(hào)可以傳達(dá)許多信息。

反向散射光通過(guò)脈動(dòng)動(dòng)脈血容量進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)從其他組織吸收 組件保持不變。從簡(jiǎn)化的角度來(lái)看，這些導(dǎo)致光電探測(cè)器中的交流組件 輸出與主體的體積描記信號(hào)同步且成比例，直流信號(hào) 光源和光路中組織持續(xù)吸收的函數(shù)。有關(guān) PPG光電探測(cè)器接收的反向散射光示例，數(shù)字化光電探測(cè)器輸出使用 三種不同的光源：紅色、綠色和紅外線。信號(hào)經(jīng)過(guò)處理以消除低頻 噪音。

圖1.PPG的光電探測(cè)器接收到的反向散射光。

身體吸收不同波長(zhǎng)的光的程度不同。例如，許多PPG設(shè)備包括一個(gè)或 更多綠色 LED。綠光很容易被我們的身體吸收，因此專注于綠光可以減輕任何 反射環(huán)境光的污染。但由于吸收力強(qiáng)，滲透深度 也有限，因此僅適用于血液灌注充足的地區(qū)。

血紅蛋白也強(qiáng)烈吸收綠光，因此這種光很難深入滲透到組織中。醫(yī)療 用于脈搏血氧飽和度的PPG使用近紅外光源。紅光深入人體， 提供豐富的生理信號(hào)源。

緩解PPG信號(hào)偽影

PPG信號(hào)通常不僅包含通過(guò)組織的反向散射光，還包含由 環(huán)境光和與組織的連接不良。各種因素會(huì)影響PPG信號(hào)的質(zhì)量， 包括受試者的皮膚結(jié)構(gòu)、皮膚色素，甚至皮膚溫度。減輕某些影響 這些偽像在節(jié)省功耗的同時(shí)，先進(jìn)的PPG集成電路（如MAX30112）包括： 專門(mén)的信號(hào)處理和采樣方案。

對(duì)于可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)之一是解決環(huán)境光的污染問(wèn)題。 環(huán)境光不斷變化，室內(nèi)燈通常具有跟蹤電力線的閃爍 頻率（即 50Hz 或 60Hz，取決于位置），可能會(huì)掩蓋 AC 分量中攜帶的信息 PPG 信號(hào)。

間歇性地與組織和光電探測(cè)器接觸不良會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)偽影。這樣的文物，在 轉(zhuǎn)，可能會(huì)使測(cè)量一些緩慢的生理變化變得困難，特別是在可穿戴設(shè)備中 受試者的運(yùn)動(dòng)不能受到限制。

PPG的另一個(gè)問(wèn)題是可檢測(cè)的信號(hào)幅度受皮膚黑色素濃度的影響 或皮膚色素。根據(jù)設(shè)計(jì)，黑色素會(huì)衰減入射光波長(zhǎng)。它存在于表皮層中， 在沒(méi)有血液供應(yīng)的地方，因此PPG裝置的目標(biāo)始終是表皮下?？朔⑷跣盘?hào) 由于深色色素沉著，設(shè)計(jì)師可以選擇使用更強(qiáng)的光源，或者選擇不同的光頻， 像NIR，黑色素的吸收性較低。

PPG的見(jiàn)解是心血管健康的窗口

在消除偽影并通過(guò)信號(hào)處理放大PPG波形后，高級(jí)算法 可用于提取和解釋其特征。典型PPG波形見(jiàn)圖2。峰峰區(qū)間， 或兩個(gè)連續(xù)收縮期峰值之間的距離，代表一個(gè)完整的心臟周期。

圖2.典型的PPG波形。

收縮期振幅（x）表示動(dòng)脈血流引起的血容量變化，并且與動(dòng)脈血流有關(guān) 每搏輸出量，這可能提示血管收縮或血管舒張;它還可以反映冷敏感性， 對(duì)麻醉劑的反應(yīng)，失血，體溫過(guò)低等。脈寬和脈面積也與全身相關(guān) 血管阻力，可以反映患者的藥物相互作用或血液粘度。

主動(dòng)脈僵硬的指標(biāo)是隆起指數(shù)，即舒張期峰值與舒張期峰值之間的比率 收縮壓峰值（Y.X）。收縮期和舒張期峰值之間的時(shí)間延遲隨著受試者年齡的增長(zhǎng)而縮短，并且， 給定受試者的身高，提供大動(dòng)脈僵硬的指標(biāo)。這兩個(gè)指標(biāo)都可以提供信息 受試者的心血管健康。

我們還可以比較來(lái)自多個(gè)波長(zhǎng)的光源的PPG信號(hào)。例如，我們可以比較光 用紅色和紅外LED通過(guò)同一組織吸收，以確定組織的氧氣水平 飽和。脫氧血紅蛋白比氧合血紅蛋白更能吸收紅光， 而氧合血紅蛋白可以更好地 吸收紅外線。因此，血液氧合與反射的紅光和紅外光的比例成正比。

PPG在以下測(cè)量參數(shù)方面取得了成功，或已被提議用于測(cè)量參數(shù)：

心率和心率變化

呼吸頻率

血氧飽和度

身體補(bǔ)水

靜脈反流病（靜脈曲張）的嚴(yán)重程度

靜脈功能

冷敏感性

血壓

心輸出量

PPG 是心率測(cè)量的實(shí)用替代方案

PPG易于使用且無(wú)創(chuàng)，已被用于測(cè)量各種生理?xiàng)l件。隨著進(jìn)步 專用PPG電路，光電容積脈搏波便攜，低功耗，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。在 比較PPG與心電圖（ECG）進(jìn)行長(zhǎng)期心率變異性（HRV）測(cè)量的臨床研究， PPG已被證明是心電圖的實(shí)用替代方案。即便如此，請(qǐng)注意，如果 光電探測(cè)器無(wú)法與組織保持良好的接觸（由于運(yùn)動(dòng)偽影被誤解）。

審核編輯：郭婷