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光學(xué)生物傳感器有什么特點(diǎn)？
光學(xué)生物傳感器有什么特點(diǎn)？
光學(xué)傳感器代表了最常見的生物傳感器類型。這個(gè)由兩部分組成的系列提供了有關(guān)如何將光學(xué)技術(shù)用于生物分析應(yīng)用的技術(shù)背景。本文概述了將反射計(jì)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(dòng)和可穿戴應(yīng)用中光學(xué)傳感器的常見噪聲和誤差源，包括測(cè)量中捕獲的環(huán)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(jié)了可穿戴生物傳感器的當(dāng)前能力和光學(xué)生物傳感應(yīng)用的未來方向。
概述：光學(xué)生物傳感
光學(xué)方法是最常見的植物和動(dòng)物生物傳感方法之一。例如，衛(wèi)星遙感設(shè)備通常使用反射質(zhì)量來確定植被的綠度和壓力。護(hù)士將脈搏血氧儀夾在患者的指尖上，作為醫(yī)生就診前測(cè)量生命體征的常規(guī)部分。
這種廣泛的應(yīng)用反映了光學(xué)傳感的多功能性，光，相干或非相干，與穿過的物質(zhì)相互作用并被吸收、反射、散射、分散或以其他方式改變。科學(xué)家可以檢查光脈沖的幅度和形狀、它們的光譜內(nèi)容和偏振，以獲取有關(guān)光脈沖穿過的介質(zhì)中分析物的信息。
通過 PPG 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血流
體積描記圖是一種體積測(cè)量。隨著血液流動(dòng)，心血管脈搏波從心臟傳出并傳播到全身，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(huì)導(dǎo)致反射回來或反向散射的光強(qiáng)度增加。
根據(jù)光源和光電探測(cè)器的相對(duì)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(duì)側(cè)。在反射布置中，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)，以下部分將對(duì)此進(jìn)行討論。
雖然 PPG 通常在診所和醫(yī)院使用指夾進(jìn)行，但也可以在許多其他身體部位獲得有效的 PPG 信號(hào)，只要容易接近富含血管的組織，尤其是在使用反射配置時(shí)。例如前額、外耳道、二頭肌或小腿肌肉周圍的區(qū)域，甚至手腕周圍的區(qū)域。其中一些替代位置允許運(yùn)動(dòng)設(shè)備和可穿戴設(shè)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(jìn)行光學(xué)測(cè)量
可見到近紅外 (NIR) 光可以穿透幾毫米進(jìn)入身體組織。由于光會(huì)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(nèi)，光主要是散射的，因此會(huì)迅速擴(kuò)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(hào)傳達(dá)許多信息。
后向散射光通過脈動(dòng)動(dòng)脈血容量進(jìn)行調(diào)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(dǎo)致光電探測(cè)器輸出中的交流分量與受試者的體積描記信號(hào)同步并成比例，直流信號(hào)是光源和光路中組織的恒定吸收的函數(shù)（圖1）。
不同波長的光被人體吸收的程度不同。例如，許多 PPG 設(shè)備包括一個(gè)或多個(gè)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(huán)境光造成的污染。但由于吸收性強(qiáng)，穿透深度也有限，所以只適用于血液灌注充足的地區(qū)。
血紅蛋白還強(qiáng)烈吸收綠光，使其難以深入組織。用于脈搏血氧儀的 PPG 的醫(yī)療實(shí)施使用 NIR 光源。紅光深入人體，提供豐富的生理信號(hào)來源。
常見的 PPG 信號(hào)偽影
PPG 信號(hào)通常不僅包含穿過組織的反向散射光，還包含由環(huán)境光引入的偽影以及與組織的不良連接。其他因素也會(huì)影響 PPG 信號(hào)的質(zhì)量。這些包括對(duì)象的皮膚結(jié)構(gòu)、皮膚色素，甚至皮膚溫度。先進(jìn)的 PPG 集成電路,MAX30112，包括專門的信號(hào)處理和采樣方案，以在節(jié)省工作功率的同時(shí)消除其中的一些偽影。
環(huán)境光污染是可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)人員面臨的最常見問題之一。不僅環(huán)境光不斷變化，室內(nèi)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(hào)的交流分量中攜帶的信息。
運(yùn)動(dòng)偽影可能是由于組織和光電探測(cè)器的間歇性接觸不良造成的。在無法限制受試者運(yùn)動(dòng)的可穿戴設(shè)備中，運(yùn)動(dòng)偽影會(huì)使測(cè)量一些緩慢的生理變化變得困難。
PPG 的另一個(gè)問題是可檢測(cè)的信號(hào)幅度受皮膚或皮膚色素的黑色素濃度影響。按照設(shè)計(jì)，黑色素會(huì)衰減入射光波長。發(fā)現(xiàn)是沒有血液供應(yīng)的表皮層，因此 PPG 設(shè)備的目標(biāo)始終是表皮下。設(shè)計(jì)人員可以通過使用更強(qiáng)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(dǎo)致的微弱信號(hào)，在該頻率下黑色素的吸收性較差。
來自 PPG 的見解
一旦信號(hào)處理消除了偽影并放大了 PPG 波形，就會(huì)使用高級(jí)算法來提取和解釋其特征。圖 2 顯示了一個(gè)典型的 PPG 波形。
兩個(gè)連續(xù)收縮峰之間的距離，稱為峰峰間隔，代表一個(gè)完整的心臟周期。
圖 2 典型 PPG 波形
收縮幅度表示由動(dòng)脈血流量引起的血容量變化，與每搏輸出量有關(guān)，可表示血管收縮或舒張，也可反映冷敏感性、對(duì)麻醉劑的反應(yīng)、失血、體溫過低等。 脈寬和脈搏面積還與全身血管阻力相關(guān)，這可以反映患者的藥物相互作用或血液粘度。
擴(kuò)張指數(shù)，即舒張期峰值和收縮期峰值之間的比率是主動(dòng)脈僵硬度的指標(biāo)。收縮和舒張峰值之間的時(shí)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(dòng)脈僵硬的指標(biāo)。這兩個(gè)指標(biāo)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(gè)波長的光源的 PPG 信號(hào)，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(dòng)脈血相比，靜脈血呈深藍(lán)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(cè)量和建議測(cè)量包括：
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
血壓
心輸出量
比較 PPG 與替代傳感方法
PPG 已被用于測(cè)量廣泛的生理?xiàng)l件。然而，它最吸引人的品質(zhì)是它的易用性和非侵入性。由于專用 PPG 電路的進(jìn)步，光電容積描記術(shù)具有便攜性、低功耗和易于實(shí)施的特點(diǎn)。
由于 PPG 和心電圖 (ECG) 都用于測(cè)量心臟活動(dòng)，因此經(jīng)常將它們進(jìn)行比較。許多臨床研究已經(jīng)檢查了 PPG 在不同使用場(chǎng)景下的性能與 ECG 的長期心率變異性 (HRV) 測(cè)量結(jié)果。他們普遍發(fā)現(xiàn) PPG 提供了一種實(shí)用的 ECG 替代方案。然而，應(yīng)該注意的是，如果光電探測(cè)器不能與組織保持良好接觸（由于誤解的運(yùn)動(dòng)偽影），PPG 可能會(huì)提供錯(cuò)誤讀數(shù)。