PPG傳感器捕獲什么？

人們已經將許多注意力集中在在臨床環境中使用PPG。例如，手指夾上的脈搏血氧儀。但是，即使在最無菌的臨床環境中，光學傳感器也會捕獲影響其光路的所有環境變化，并混淆體積描記信息。在受較少控制的可穿戴配置中，情況變得更具挑戰性。

通常，環境混雜因素（或噪聲）可分為兩大類：光學干擾和生理干擾。光學噪聲是指傳感器看到的光路變化特性，與所觀察到的血液吸收的光無關。例如，光學傳感器可以拾取環境光。由于室內照明通常包含閃爍，該閃爍會周期性地影響所感測的光信號的偏移并干擾PPG信號，因此這可能特別麻煩。同樣，生理變化可能會改變組織中的血流量和體積，進而改變PPG信號。

這些挑戰在每種情況下都存在，并且在可穿戴應用中發現的不受控制的環境中更加明顯。但是，PPG在可穿戴設備中仍然很受歡迎，因為它是一種監控穿戴者關鍵生命體征的可靠方法。

為了應對這些挑戰，高級PPG IC現在具有智能信號路徑，以減輕其中一些工件的影響。除改進的算法外，它們還使設計人員可以將PPG包含在許多外形尺寸中，包括耳塞，戒指，項鏈，頭和臂帶，手鐲，手表和智能手機。

以下各節將更詳細地討論光學噪聲。

PPG電路和噪音

圖1 PPG電路中的噪聲源

在研究光噪聲之前，了解PPG傳感系統的總體性能考慮因素很有用（圖1）。可穿戴PPG電路的主要任務是在保持功耗的同時最大化信噪比（SNR）。

PI代表灌注指數，是組織中搏動性血液流量與靜態（非搏動性）血液的比率。從數學上講，它是PPG信號的AC部分，占整個信號的一部分。

LED驅動器控制著LED電流的大小，瞬變以及上升和下降時間，是導致發射路徑上的噪聲和功率的關鍵因素。在接收路徑上，PPG電路處理抗混疊，采樣和環境光抑制。這些電路還可以在寬范圍的感測范圍內保持功率效率以及信號線性度。

集成的PPG傳感器前端電路，例如MAX30112，通過將這些功能組合到單個成本有效的IC中，簡化了PPG的實現考慮。它驅動LED光源并采樣光電探測器的輸出。根據LED和光電檢測器的選擇，所涉及的光電流范圍從亞nA到數十μA。

環境光抑制

盡管本文以前僅引用了環境光閃爍，但是DC和AC環境光條件都可能給PPG帶來問題。強恒定（DC）環境光會使光電檢測器飽和，從而使PPG波形無法檢測。因此，前端電路必須在LED熄滅時捕獲環境光水平，并在對PPG信號進行采樣之前將其從光電檢測器的輸出中減去（圖2）。一旦去除了環境光分量，就可以對PPG信號進行采樣而不會出現飽和的風險。

照明中的閃爍（主要是室內）為PPG帶來了另一種噪聲源。根據世界各地的不同，室內燈光可能會以50Hz或60Hz的基本頻率閃爍，該頻率接近于對PPG信號進行采樣的頻率。如果不進行校正，則環境閃爍會導致每個樣本的偏置偏移不同。MAX30112采用先進的相關采樣技術，專門設計用于衰減任何50 / 60Hz閃爍分量，以減輕其對PPG信號的破壞作用。

圖 2是顯示用于PPG信號中的環境消除的兩階段濾波的概念圖。在采樣之前，應去除粗糙的DC信號，以免使轉換器飽和，然后采樣和濾波技術解決了其他環境光偽影。

運動偽影

一些PPG衍生的信息，例如脈搏血氧飽和度（SpO 2），特別容易受到運動偽影的破壞。通過使用比率R來比較氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸收來測量SpO 2，如下所示：

其中PI 1和PI 2是使用兩種不同顏色的波長為1和2的光獲得的系統的灌注指數。

由于比率R 和PI在方程式中占主導地位，因此SpO 2的精度 取決于保持一致的PI值的能力。PI受PPG探針的光學/機械設計或受試者的可穿戴以及生理狀況的影響。受試者的身體運動，無論是自愿的還是非自愿的，都可能導致傳感器相對于組織的機械位移。這可以動態地改變光耦合的效率，改變光路長度，并否則引起寄生信號動態。即使微小的移動也會影響PPG信號。例如，由呼吸運動引起的運動通常被耦合到PPG波形中。

運動還可能導致與動脈搏動無關的組織生理變化。例如，改變她的姿勢的受試者可能會部分破壞血液流動并動態地重新分配靜脈血量。該變化將反映在PPG測量中，并且在脈搏血氧飽和度的背景下可以解釋為錯誤。沒有運動也可能發生生理變化。顯著的環境溫度或皮膚溫度以及水合變化都會影響PPG的觀察結果。

通過減輕運動偽影的影響來提高脈搏血氧飽和度測量的準確性是一個經過充分研究的課題。從采用簡單的移動平均值到復雜的非線性自適應濾波器，算法都采用了不同的技術。外部參考可以幫助限定運動偽影。這些參考文獻包括對運動敏感但對光學環境不敏感的慣性傳感器，以及對光學環境變化而不對運動敏感的第三波長的光。即使有了算法上的進步，運動偽影仍繼續限制可穿戴PPG設備的準確性。

可穿戴光學生物傳感器的新興應用

盡管其精確度受到實際限制，但PPG在可穿戴應用中仍獲得了成功，因為它們無創地向穿戴者提供了縱向的生命體征信息，包括心率，脈搏率和脈搏血氧飽和度。此外，高級算法已從PPG信號中測量了心率變異性和血壓。

提供持續的健康信息可以使我們的醫療保健方法得到發展。除了零星的臨床測試結果外，可穿戴設備還提供了補充信息，這些信息反映了穿戴者在長時間內的細微變化。這樣的洞察力有時甚至在臨床上可觀察到的癥狀發生之前就可以為整體診斷提供依據。

可穿戴的PPG遠遠超出了僅報告生命體征的范圍。通過將PPG數據作為數據融合和機器學習的輸入，標準大學的早期研究使用了可穿戴生物傳感器的日常測量值，包括對43個人的心率，皮膚溫度，SpO 2和身體活動，以證明可穿戴傳感器可用于識別萊姆病和炎癥的發作。根據這些觀察結果，研究人員開發了用于個性化疾病檢測的計算算法。確實，正在進行更激動人心和雄心勃勃的應用程序。

陳恩恩（Ian Chen）是Maxim Integrated工業與醫療業務部門的執行董事。

參考

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I Chen，《個人健康監測器促進個性化醫療保健》，NXP.com，2016年。

X Li，J Dunn，D Salins，G Zhou，W Zhou，SM Schusler-Fiorenza Rose，D Perelman，E Colbert，R Runge，S Rego，R Sonecha，S Datta，T McLaughlin，MP Snyder，數字健康：跟蹤生理使用可穿戴生物傳感器的活動和活動揭示了有用的健康相關信息，PLOS Biology，2017年。

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編輯：hfy