[脈搏傳感器]脈搏傳感器是如何測(cè)量心血管信號(hào)的

日期：2022-07-29

反射型光電容積脈搏波 (PPG) 脈沖傳感器廣泛用于消費(fèi)市場(chǎng)以測(cè)量心血管信號(hào)。與發(fā)光二極管(LED)和光電探測(cè)器(PD)在不同芯片中的片外封裝方案不同，提出了一種新型環(huán)形結(jié)構(gòu)的GaN集成光電芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)PPG脈沖傳感器。集成的光電芯片由兩個(gè)多量子阱(MQW)二極管組成。對(duì)于更高的靈敏度，中央和外圍 MQW 二極管分別適合作為 LED 和 PD。結(jié)果表明，基于藍(lán)光LED外延片的集成光電芯片更適合基于器件性能的集成PPG傳感器。而且，從指尖采集的PPG脈沖信號(hào)的幅度比從手腕采集的要高。

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脈搏傳感器一、測(cè)量光吸收

與許多其他可穿戴健身追蹤器類似，Apple Watch依靠綠色 LED 燈來(lái)實(shí)現(xiàn)一種稱為光體積描記法(或 PPG)的方法。由于血液會(huì)吸收綠光，并且每次脈沖都會(huì)導(dǎo)致血流激增，因此確定心率就是測(cè)量綠光吸收的變化。在鍛煉期間，Apple Watch 通過(guò)每秒在您的手腕上閃爍數(shù)百次綠光來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，然后使用光電二極管測(cè)量光吸收。

脈搏傳感器二、光電容積描記圖

傳感器以非常簡(jiǎn)單的光反射方式工作。使用的原理稱為光電容積描記圖。休息是來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)處理中使用的算法的發(fā)揮。根據(jù)光電容積描記圖的原理，用于反射的光通常是紅色或綠色。在所有其他心跳傳感器中，這兩個(gè)燈也使用了我上面推薦的那個(gè)。接收到的光被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)脈沖，直接發(fā)送到低邏輯電平微控制器，或者通過(guò)使用介于兩者之間的運(yùn)算放大器。該電路中使用的運(yùn)算放大器是 MCP6001RT，它最適合每個(gè)微控制器的可用邏輯電平。有關(guān)更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)上面提供的運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)表。

脈搏傳感器三、光電探測(cè)器

血流變化或心率等心血管信號(hào)可以為臨床應(yīng)用中的患者診斷、老年人和心臟病患者的日常健康護(hù)理以及持續(xù)的運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)提供有價(jià)值的信息[ 1-3 ]。反射式光電容積脈搏波 (PPG) 脈沖傳感器 [ 4 – 8] 具有無(wú)創(chuàng)測(cè)量、成本低、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試方法方便等特點(diǎn)，是消費(fèi)市場(chǎng)獲取心血管信號(hào)的首選。一個(gè)基本的 PPG 傳感器只需要一個(gè)光發(fā)射器來(lái)照亮皮膚組織和一個(gè)光電探測(cè)器 (PD) 來(lái)檢測(cè)與微血管床中血容量變化相關(guān)的光強(qiáng)度的微小變化。

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脈搏傳感器四、反射式傳感器

與使用紅外光源的透射式 PPG 傳感器 [ 9-11 ]相比，一般使用綠色光源的反射式傳感器可以放置在人體皮膚的各個(gè)部位以檢測(cè)反射光，并且不易受來(lái)自熱應(yīng)力 [ 11]。光發(fā)射器和 PD 之間更短的距離有助于提高反射光比和最終的設(shè)備性能。因此，陳等人。最近開(kāi)發(fā)了一種基于集成光電芯片的 PPG 脈沖傳感器 [ 12] 其中LED和PD在一個(gè)芯片上，藍(lán)寶石基板可以直接接觸皮膚。LED和PD之間的距離可以達(dá)到微米級(jí)，這是現(xiàn)有的片外封裝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

脈搏傳感器五、光電芯片

所示的基于綠色外延片的 PD 的 IV 特性呈現(xiàn)出相同的對(duì)比度。比較圖 2 中的結(jié)果。 3 (a)和3(b)表示基于藍(lán)色外延片的集成光電芯片的PD具有較大的光電流。為了解釋這種現(xiàn)象，測(cè)量了基于藍(lán)色和綠色 LED 外延片的 MQW 二極管的電致發(fā)光 (EL) 光譜和響應(yīng)光譜 (RS)。如圖 4所示，藍(lán)色 MQW 二極管的 EL 光譜和 RS 的重疊波長(zhǎng)明顯大于綠色 MQW 二極管。因此，基于藍(lán)光LED外延片的集成光電芯片更適合基于器件性能的集成PPG傳感器。

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