日期：2022-12-02
傳感器能否提供可靠的數(shù)據(jù)取決于目標信息、部署的算法以及給定用例的具體細節(jié)。光學生物傳感已成為智能手表和健身可穿戴設備的主流功能。本文將概述光學生物傳感器收集的光電容積脈搏波 (PPG) 數(shù)據(jù)之間的相互作用。PPG 測量通過組織的反射(反向散射)或透射光，以研究每次心跳發(fā)生的血容量變化。研究人員和醫(yī)生通過使用不同的算法處理 PPG 數(shù)據(jù)，得出了包括心率、呼吸頻率、氧飽和度、血管粘度、靜脈回流、冷敏感性、血壓和心輸出量在內的信息。捕獲的 PPG 數(shù)據(jù)能否可靠地提供所有這些見解取決于許多因素。
PPG傳感器一、控制范圍
光學配置，包括光的波長、LED 的效率和視野、PD 的響應性以及光路的設計。這些因素中的每一個都有助于傳感系統(tǒng)的點擊率。對象的膚色、皮膚溫度、血液灌注和傳感器在身體上的位置都會影響 PI。對于大多數(shù)用例，受試者的皮膚特征超出了設計師的控制范圍。盡管醫(yī)療實踐通常從手指和耳垂獲取 PPG 數(shù)據(jù)，但這些位置可能不便于動態(tài)和長期監(jiān)測。因此，許多設計期望并接受較低的 PI 值。
PPG傳感器二、光學元件
光學元件和系統(tǒng)設計最終控制了 PPG 系統(tǒng)中的噪聲。在大多數(shù)可穿戴應用中，N TX和 N RX可以通過選擇具有更好固有信噪比性能的模擬前端來最小化。這一點尤其重要，因為 CTR 通常是一個很小的數(shù)字，特別是當小型化或其他工業(yè)設計考慮可能會限制光學設計時。因此，等式分母中的噪聲項開始占主導地位。通過增加 LED 功耗來提高 SNR。當所有其他方法都失敗時，該等式向設計人員保證，他們仍然可以通過提高 I LED獲得可靠的 PPG 數(shù)據(jù)，這當然會大大增加系統(tǒng)功耗。此外，過度的功耗可能會導致系統(tǒng)中的其他復雜性損害數(shù)據(jù)的可靠性。
PPG傳感器三、數(shù)據(jù)可靠性
雖然較差的 SNR 通常代表缺乏數(shù)據(jù)可靠性，但其他因素(例如運動偽影)可能會在不同程度上影響不同 PPG 數(shù)據(jù)衍生信息的可靠性。為了解釋這一點，我們將看一些可以嵌入 PPG 數(shù)據(jù)中的信息示例。正如下面的討論所示，在頻域中檢查 PPG 數(shù)據(jù)很有用。
PPG傳感器四、心率或脈搏率
PPG 最普遍的應用是監(jiān)測心率，這也是最可靠的數(shù)據(jù)(圖 1 表示按年齡劃分的平均目標心率)。人的心率低于3Hz。它主要是音調意味著它是一個窄帶信號，因此，通過應用于大多數(shù) PPG 數(shù)據(jù)的算法從大多數(shù)背景噪聲中恢復相對簡單。在預期有運動的用例中，可以使用更高的帶寬來允許算法使用真正的 PPG 波形的特征將真正的 PPG 信號與帶內運動偽影區(qū)分開來。
PPG傳感器五、波形
由于 PPG 測量成本低且無創(chuàng)，因此許多研究人員專注于使用在臨床環(huán)境下獲取的 PPG 數(shù)據(jù)來診斷周圍血管疾病，例如動脈粥樣硬化，其中脂肪沉積會減小動脈的直徑。處理 PPG 數(shù)據(jù)的常用方法是使用其二階導數(shù)，得到的波形通常稱為 APG(參見圖 2)。在許多研究過程中，研究人員對 APG 波形的形狀進行了分類，以幫助診斷受試者的健康狀況和患冠心病的風險。這些研究中的技術包括頻率信息，通常從 0.05Hz 到 20Hz，明顯高于基本心率。而且由于高頻分量要弱得多，因此這些 PPG 測量需要更高的 SNR，而對信號調節(jié)的低通濾波器的依賴更少。例如，對 APG 特征的簡單分析包括：
PPG傳感器六、組織接觸
使用 PPG 測量的 PRV 類似于心率變異性 (HRV)，用于通過分析心臟活動產(chǎn)生的心跳間隔來測量自主神經(jīng)系統(tǒng)。由于心跳間隔變化緩慢，可穿戴 PPG 數(shù)據(jù)的可靠性挑戰(zhàn)在于長時間保持良好的傳感器與組織接觸。此外，用于獲取 PPG 數(shù)據(jù)的采樣率必須足夠高以避免時域量化，這會影響分析的 PRV 變量的準確性。
PPG傳感器七、血氧飽和度
脈搏血氧飽和度或 SpO 2比上面列出的 PPG 測量更復雜，因為它涉及兩種不同波長的光。研究人員提出了許多不同的方法來消除噪聲和運動偽影的影響，但問題在可穿戴應用中仍然存在。這是由于運動偽影的復雜性。運動會導致組織與傳感器的耦合發(fā)生變化。這是一個基本假設，即這兩個波長共享基本相同的光路。當對象的移動導致每個光源行進的路徑之間存在瞬時差異時，數(shù)據(jù)變得不可靠。此外，運動還可以影響靜脈血和其他非脈動成分沿光路的運動，從而改變所觀察組織的特性。在這里，數(shù)據(jù)可靠性需要一種算法來了解 PPG 數(shù)據(jù)是干凈的還是被運動破壞的。因此，對可靠數(shù)據(jù)的帶寬需求更多地與支持這種分類以及除了 PPG 之外還有哪些其他傳感器信息可用，而不是與心率或破壞性運動有關。
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