光學生物傳感器有什么特點？

2021-06-10

光學生物傳感器有什么特點？

光學傳感器代表了最常見的生物傳感器類型。這個由兩部分組成的系列提供了有關如何將光學技術用于生物分析應用的技術背景。本文概述了將反射計用于脈沖體積描記器 (PPG) 波形，并描述了工作中的物理和生理原理。移動和可穿戴應用中光學傳感器的常見噪聲和誤差源，包括測量中捕獲的環境混雜因素的影響以及用戶群體之間的生理變化。它還總結了可穿戴生物傳感器的當前能力和光學生物傳感應用的未來方向。

概述：光學生物傳感

光學方法是最常見的植物和動物生物傳感方法之一。例如，衛星遙感設備通常使用反射質量來確定植被的綠度和壓力。護士將脈搏血氧儀夾在患者的指尖上，作為醫生就診前測量生命體征的常規部分。

這種廣泛的應用反映了光學傳感的多功能性，光，相干或非相干，與穿過的物質相互作用并被吸收、反射、散射、分散或以其他方式改變?？茖W家可以檢查光脈沖的幅度和形狀、它們的光譜內容和偏振，以獲取有關光脈沖穿過的介質中分析物的信息。

通過 PPG 實時監測血流

體積描記圖是一種體積測量。隨著血液流動，心血管脈搏波從心臟傳出并傳播到全身，周期性地擴張皮下組織中的動脈和小動脈。PPG 使用光來檢查組織。由于組織中的血液比周圍組織吸收更多的光，因此血液量的減少會導致反射回來或反向散射的光強度增加。

根據光源和光電探測器的相對位置，PPG 有兩種可能的配置：透射吸收和反射。在透射配置中，光源和傳感器位于組織的直接相對側。在反射布置中，它們可以在同一側。反射配置利用了身體組織的光散射效應，以下部分將對此進行討論。

雖然 PPG 通常在診所和醫院使用指夾進行，但也可以在許多其他身體部位獲得有效的 PPG 信號，只要容易接近富含血管的組織，尤其是在使用反射配置時。例如前額、外耳道、二頭肌或小腿肌肉周圍的區域，甚至手腕周圍的區域。其中一些替代位置允許運動設備和可穿戴設備集成 PPG 傳感器，并取得了不同的成功，正如本系列的第二部分將解釋的那樣。

通過組織進行光學測量

可見到近紅外 (NIR) 光可以穿透幾毫米進入身體組織。由于光會被血液、黑色素、脂肪和水吸收，因此穿透力受到限制。在該范圍內，光主要是散射的，因此會迅速擴散。光組織相互作用取決于不同的組織成分和所用光的波長。這些變化允許 PPG 信號傳達許多信息。

后向散射光通過脈動動脈血容量進行調制，而其他組織成分的吸收保持不變。從簡化的角度來看，這些導致光電探測器輸出中的交流分量與受試者的體積描記信號同步并成比例，直流信號是光源和光路中組織的恒定吸收的函數（圖1）。

不同波長的光被人體吸收的程度不同。例如，許多 PPG 設備包括一個或多個綠色 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反射環境光造成的污染。但由于吸收性強，穿透深度也有限，所以只適用于血液灌注充足的地區。

血紅蛋白還強烈吸收綠光，使其難以深入組織。用于脈搏血氧儀的 PPG 的醫療實施使用 NIR 光源。紅光深入人體，提供豐富的生理信號來源。

常見的 PPG 信號偽影

PPG 信號通常不僅包含穿過組織的反向散射光，還包含由環境光引入的偽影以及與組織的不良連接。其他因素也會影響 PPG 信號的質量。這些包括對象的皮膚結構、皮膚色素，甚至皮膚溫度。先進的 PPG 集成電路,MAX30112，包括專門的信號處理和采樣方案，以在節省工作功率的同時消除其中的一些偽影。

環境光污染是可穿戴設備設計人員面臨的最常見問題之一。不僅環境光不斷變化，室內燈通常還包含跟蹤電力線頻率（即 50 或 60Hz，具體取決于位置）的閃爍，它可以掩蓋 PPG 信號的交流分量中攜帶的信息。

運動偽影可能是由于組織和光電探測器的間歇性接觸不良造成的。在無法限制受試者運動的可穿戴設備中，運動偽影會使測量一些緩慢的生理變化變得困難。

PPG 的另一個問題是可檢測的信號幅度受皮膚或皮膚色素的黑色素濃度影響。按照設計，黑色素會衰減入射光波長。發現是沒有血液供應的表皮層，因此 PPG 設備的目標始終是表皮下。設計人員可以通過使用更強的光源或通過選擇不同的光頻率（如 NIR）來克服由于黑色素沉著導致的微弱信號，在該頻率下黑色素的吸收性較差。

來自 PPG 的見解

一旦信號處理消除了偽影并放大了 PPG 波形，就會使用高級算法來提取和解釋其特征。圖 2 顯示了一個典型的 PPG 波形。

兩個連續收縮峰之間的距離，稱為峰峰間隔，代表一個完整的心臟周期。

圖 2 典型 PPG 波形

收縮幅度表示由動脈血流量引起的血容量變化，與每搏輸出量有關，可表示血管收縮或舒張，也可反映冷敏感性、對麻醉劑的反應、失血、體溫過低等。 脈寬和脈搏面積還與全身血管阻力相關，這可以反映患者的藥物相互作用或血液粘度。

擴張指數，即舒張期峰值和收縮期峰值之間的比率是主動脈僵硬度的指標。收縮和舒張峰值之間的時間延遲隨著受試者的年齡而縮短，并且給定受試者的身高，提供了大動脈僵硬的指標。這兩個指標都可以告知受試者的心臟健康狀況。

我們還可以比較來自多個波長的光源的 PPG 信號，例如，通過比較通過同一組織的紅色和紅外 LED 的光吸收來確定其氧飽和度水平。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（因此與動脈血相比，靜脈血呈深藍色）。因此，血液氧合與反射紅光和紅外光的比率成正比。

使用 PPG 的成功測量和建議測量包括：

心率和心率變化

呼吸頻率

血氧飽和度

身體補水

靜脈反流?。o脈曲張）的嚴重程度

靜脈功能

冷敏感

血壓

心輸出量

比較 PPG 與替代傳感方法

PPG 已被用于測量廣泛的生理條件。然而，它最吸引人的品質是它的易用性和非侵入性。由于專用 PPG 電路的進步，光電容積描記術具有便攜性、低功耗和易于實施的特點。

由于 PPG 和心電圖 (ECG) 都用于測量心臟活動，因此經常將它們進行比較。許多臨床研究已經檢查了 PPG 在不同使用場景下的性能與 ECG 的長期心率變異性 (HRV) 測量結果。他們普遍發現 PPG 提供了一種實用的 ECG 替代方案。然而，應該注意的是，如果光電探測器不能與組織保持良好接觸（由于誤解的運動偽影），PPG 可能會提供錯誤讀數。