提高生物传感可穿戴设备心率监测性能的指南

在可穿戴设计过程中，一个关键步骤是将发光和光传感元件的光机械集成到生物传感手腕可穿戴设备中。选择能够最大限度地减少串扰和最大化信噪比的元件和几何形状会显著影响信号质量。本应用笔记探讨了为获得最佳性能而需要考虑的光学和机械方面。光学部分侧重于光与皮肤和血液的相互作用以及LED和光电探测器的选择。机械部分提供了增加光学元件和皮肤之间耦合的建议。

介绍

基于手腕的可穿戴设备使用户能够更主动地控制自己的健康状况，跟踪健身、日常活动和睡眠期间的各种生理参数。跟踪过程是方便的非侵入式的，因为集成到设备中的光学传感器用于检测心率信号并得出参数。这项技术已经在医疗领域建立起来，现在正在转移到可穿戴手腕应用。

光学传感器操作

光学传感器利用一种称为光电容积脉搏波（PPG）的原理来测量心率。随着心脏泵血，动脉中运输的血液量会发生变化。当心脏排出血液时（收缩期），更多的血液流经动脉，当心脏抽血时（舒张期）流更少的血液。当收缩期和舒张期心跳之间的血容量变化时，它会改变动脉层的光吸收系数。组织的光学照明以及透射光的测量揭示了由于血容量变化引起的吸收变化，并允许恢复心率脉动信号。

在身体的某些部位（例如手腕）进行透射式心率测量在逻辑上是困难的。因此，使用反射测量代替。反射式心率监测器由排列在同一平面上的光源和检测器组成（图 1）。发出的光穿透皮肤、组织和血管，被吸收、散射或反射。发射光的一小部分最终到达光电探测器。随着动脉中的血液量随着每次心跳而变化，吸收的光的比例以及随后检测器信号的强度也会发生变化。

图1.反射光脉冲测量的原理。

当光线与皮肤相互作用时

皮肤由表面的三个主要层组成：无血表皮层（100μm厚），血管化真皮层（1-2mm厚）和皮下脂肪组织（1-10mm厚，取决于身体部位）。通常，这些层的光学特性以吸收（μ一个）和散射（μs） 系数和各向异性因子 （g）。

吸收系数表征在组织中行进的光子每单位路径长度的平均吸收事件数。可见光谱范围内的主要吸收体是黑色素：由氧合血红蛋白（Hb）、脱氧血红蛋白（HbO）组成的血液2），和脂质。在红外光谱范围内，皮肤真皮的吸收特性以对水的吸收为主。

图2显示了人体皮肤的平面七层光学模型，包括角质层，活表皮（两层真皮中的每一层分为两层，第一状真皮和上血网真皮以及第二网状真皮和下血网真皮），最后是皮下脂肪组织层。表1列出了层的厚度，血液，水和黑色素含量的典型范围，以及层的折射率。

图2.七层皮肤模型，其中第一层和最外层是角质层，最内层是皮下脂肪组织或脂肪层。

 

层		厚度	体积分数			折射率
		吨（微米）	θ(血)	θ(水)	θ梅尔	n
1	角质层	20	0	0.05	0	1.40
2	表皮	80	0	0.2	0.01 – 0.10	1.40
3	状真皮	150	0.0024	0.5	0	1.39
4	高级血网真皮	150	0.0060	0.6	0	1.39
5	网状真皮	1000	0.0024	0.7	0	1.41
6	下血网真皮	600	0.0120	0.7	0	1.41
7	皮下脂肪	8000	0.0012	0.7	0	1.44

 

如表1所示，心率搏动信号起源于躺在下血网真皮层的动脉床，是七层组织模型中的第六层。该层的吸收光谱可以使用组织成分的吸收光谱及其相应的体积分数使用以下公式计算：

µ一个（λ）= （Sμa，Hb（λ） + （1-S）μa，HbO2(λ))θ血 + µA，梅尔(λ)θ梅尔+ µa、水(λ)θ水 + µA，唇(λ)θ唇

哪里μA，梅尔0 $梅尔, µa、水0 $水, µA，唇0 $唇分别是黑色素、水和脂质的吸收系数和体积分数。µa，Hb和μa，HbO2是氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收系数，θ血是血液的体积分数。S是血氧饱和系数，通常在健康个体中约为95%。使用公式1和测量的组织成分吸收光谱[1]下血网真皮中的吸收系数可以计算为波长的函数。图 3 绘制了结果。

图3.下血网真皮层中的吸收系数作为波长的函数。

峰值吸收系数对应于540nm和570nm附近的波长。在这些波长下，由于血容量变化引起的吸收变化最大，光电二极管测量最强的脉动信号。

选择组件

LED 波长和效率

为了获得最佳的PPG信号，即最大的交流心率信号，LED照明波长应尽可能接近血液HbO的吸收峰2在大约540nm和570nm处（图3）。然而，由于LED在560nm左右的发光效率中已知的“绿色间隙”范围，市售LED在这两个所需波长下非常暗淡。因此，它们对于需要高信噪比（SNR）的实际应用并不是特别有用。因此，发射约530nm的绿色LED用于市场上大多数商用PPG传感器。

Maxim Integrated探索了绿色吸收峰两侧的照明波长，广泛使用的530nm真绿色LED和590nm的黄色LED。虽然这两种波长都可从多家 LED 供应商处获得大发光效率，但我们发现欧司朗 PointLED®[2]产品线为制造Maxim腕部PPG传感器可穿戴原型提供最合适的外形。

光电二极管

可穿戴心率监测器中最关键的组件选择之一是光电二极管。光电二极管是系统接收路径中的第一级。市场上有许多光电二极管可供选择，因此选择在关键工作波长或其范围内具有高响应度的光电二极管非常重要。响应度是每个光输入的电输出的量度，通常以每瓦入射辐射功率 （A/W） 产生的电流表示。高响应度设备可以检测腕组织内散射返回的小心率信号。Si PIN光电二极管在可见光/NIR波长范围内具有最大的响应度，可从许多制造商处获得。Vishay 和欧司朗 Si PIN 光电二极管外形小巧，特别适用于生物传感手腕可穿戴设备®[3,4].

光机械设计注意事项

概述

设计一个好的光学PPG解决方案非常复杂，而且经常被低估。让我们考虑光学元件的集成，以制作用于手腕可穿戴设备的完整心率监测器。

成功的积分使传感器接收到的信号和信噪比参数最大化。为了增加信噪比参数，我们可以最大化已经深入皮肤的信号以检测PPG信号，同时最小化串扰，即来自PPG信号以外的来源的传感器上的信号。图4描述了典型的光机集成设计。在这里，LED和光电二极管被封装在透明材料中，以在光学元件和手腕之间提供防潮层和界面。LED和光电二极管之间的屏障提供光学隔离，确保只有穿过皮肤组织的光才能到达并被光电二极管检测到。整个组件从腕带底部突出，以确保与皮肤紧密接触。

图4.典型的光机械设计。

封装

与任何手腕可穿戴设计一样，客户需要某种密封剂进行光学设计。这种密封胶具有防水性能，还可以增加传感器接收到的信号。折射率接近人体皮肤（~1.4）的密封胶可以最大限度地减少菲涅耳反射引起的透射损失。此外，提供一些“给予”的密封剂可以增加与皮肤的接触面积和压力。有机硅是常用的密封胶。表2提供了封装材料的良好有机硅候选材料及其特性。

 

封装比较表
制造者	产品名称	颜色	粘度 （cP）	折射率	透射器（3.2毫米厚）	硬度	评论
道康宁	西尔加德 184 有机硅弹性体	无色	3,500	1.4118 在 589nm 时 1.4225 在 632.8nm 处	532nm 时为 97% 880nm 时为 96%	硬度计邵氏 43	高透射率，柔性弹性体
道康宁	EI-1184 光学封装胶	清楚	5,300	1.42 在 632.8nm	380nm 时为 93% 450nm 时为 94% 760nm 时为 94%	硬度计邵氏 A 61	固化为柔性弹性体，加热可缩短固化时间
道康宁	MS-1002 模塑硅胶	光学透明	26,250	1.41 在 632.8nm	380nm 时为 89% 450nm 时为 91% 760nm 时为 94%	硬度计邵氏 A 72	可成型性允许更复杂的设计
道康宁	MS-1003 模塑硅胶	光学透明	42,300	1.41 在 632.8nm	380nm 时为 91% 450nm 时为 92% 760nm 时为 93%	硬度计邵氏 A 51	可成型性允许更复杂的设计
道康宁	MS-4002 模塑硅胶	光学透明	25,000	1.42 在 632.8nm	380nm 时为 89% 450nm 时为 92% 760nm 时为 93%	硬度计邵氏 A 84	可成型性允许更复杂的设计
道康宁	IMS-4007 模塑硅胶	光学透明	10,500	1.41 在 632.8nm	380nm 时为 91% 450nm 时为 93% 760nm 时为 94%	硬度计邵氏 A 70	可成型性允许更复杂的设计

 

串扰抑制功能 – 光栅

串扰由光电二极管上的信号入射组成，这些信号未穿过任何皮肤层。高水平的串扰淹没了脉动的心率信号，使可穿戴监护仪无法有效测量PPG。因此，LED发射和光电探测器之间的串扰应最小化，以获得最佳性能。为了保持低水平的串扰，可以使用物理吸收光栅。示例屏障如图 4 中的详细信息视图所示

台面 – 增加与皮肤的接触

串扰由光电二极管上的信号入射组成，这些信号未穿过任何皮肤层。高水平的串扰淹没了脉动的心率信号，使可穿戴监护仪无法有效测量PPG。因此，LED发射和光电探测器之间的串扰应最小化，以获得最佳性能。为了保持低水平的串扰，可以使用物理吸收光栅。示例屏障如图 4 中的详细信息视图所示

LED和光电二极管之间的间隔距离

在开发反射式心率监测器时，从设计角度来看，确定LED和光电二极管之间的理想间隔距离非常重要。选择距离时，请确保可以检测到具有最大和最小脉冲分量的PPG信号。这些脉动成分不仅取决于照明组织中的动脉血量，还取决于外周血管床中的收缩期血脉强度。

有两种技术可用于提高体积描记图信号的质量。一种技术涉及使用大的LED驱动电流，该驱动电流使用较高的光强度来增加入射光的有效穿透深度。对于给定的LED-光电二极管分离，使用更高水平的入射光可以照亮更大的脉动血管床。因此，反射体积描记图包含更大的脉动信号分量。然而，在实践中，LED驱动电流被制造商限制在规定的最大功率耗散。另一种方法是将光电二极管放置在靠近LED的位置。但是，如果光电二极管离LED太近，则光电二极管会被皮肤中无血角质层和表皮层的入射光子多次散射获得的大非脉冲分量饱和。对于恒定的LED强度，随着LED和光电二极管之间的径向距离的增加，光电二极管检测到的总光大致呈指数级减少。换句话说，LED/光电二极管分离对绿色和黄色体积描记图反射脉冲幅度的影响随着分离的增加而降低。因此，在选择特定的间隔距离时需要权衡取舍。将光电二极管放置在离LED更远的地方，可以产生具有较大脉动信号分量的体积描记图。然而，这种方法需要更高的LED驱动电流来克服由于光程长度增加而导致的吸收。

LED-光电二极管分离的模拟比较

为了评估 LED 与光电二极管分离的影响，让我们定义 PPG 测量的两个关键品质因数：收集效率 （CE） 和灌注指数 （PI）。

CE是给定LED输出的光电二极管功率回流的分数。入射到光电二极管上的光信号被转换为电流，由一个大的恒定直流和一个小的可变交流分量组成。直流分量不包含心率信息，而交流分量对应于搏动动脉血[5]，如图 5 所示。

PI，定义为AC与DC的比率，是外周组织中脉动血流与非脉动静态血流的比率。PI指示传感器部位的脉冲强度。PI 越高，性能越好。PI取决于通过下血网真皮的路径长度l和吸收系数Δμ的变化，这两者都与波长有关。

PI=交流/直流= lΔμ

PI 因皮肤类型、运动伪影、环境光、健康水平和体内脂肪含量而异。在基于手腕的应用中，PI 值的范围从非常弱的脉冲的 0.02% 到极强脉冲的 2%。

由于良好的PPG信号是总功率和PI之间的权衡，因此在确定最佳LED/光电二极管间距时要检查的品质因数是CE和PI（CE×PI）的乘积。该量与交流信号强度成正比，较高的CE×PI值对应于更大的交流信号。

图5.皮肤的光吸收图以及相应的直流和交流水平。

光线迹模拟用于确定LED-光电二极管分离对PI的影响。该模拟使用蒙特卡罗方法来追踪在复杂、不均匀、随机散射和吸收介质中传播的光线。模拟的几何形状由1mm×1mm有效区域探测器组成，距离朗伯发光LED1mm至10mm。皮肤的七层模型放置在LED和探测器上方。图 6 显示了仿真设置。

图6.用于确定最佳 LED 光电二极管分离的仿真设置。

仿真确定给定波长和 LED 光电二极管间距的收集效率。对仿真结果进行后处理，在下血网真皮层中产生相应的路径长度。知道光程长度l和吸收系数的变化Δμ，PI可以通过公式2计算。图 7、图 8 和图 9 给出了 530nm、560nm、574nm 和 590nm 的仿真结果。在图9中可以明显看出，高达3mm LED与光电二极管的间距，574nm产生的PPG信号最高。在3mm分离以上，590nm PPG信号质量优于其他波长。

图7.收集效率与 LED 光电二极管间距的关系。

图8.灌注指数是 LED 光电二极管间距的函数。

图9.CE和PI的乘积与LED光电二极管间距的函数关系。

Maxim提供适用于可穿戴、基于手腕的心率检测应用的IC。MAX86140/MAX86141器件是完整的集成式光学数据采集系统，理想用于光学脉搏血氧饱和度和心率检测应用。两者都包括高分辨率光学读数、具有环境光消除功能的信号处理通道以及大电流LED驱动器DAC，以形成完整的光学读出信号链。MAX86140由一个光学读出通道组成，而MAX86141具有两个可同时工作的光学读出通道。MAX86140/MAX86141具有三个LED驱动器，非常适合多种光学检测应用。

虽然MAX86140/MAX86141器件负责数据采集，但设计人员必须决定如何将LED和光电探测器集成到工业设计中。本应用笔记概述了反射式心率监测器的工作原理，包括与皮肤的相互作用以及发光和传感元件的选择。

总结

得益于小巧、强大的模拟前端电子设备，设计人员现在可以更轻松地将心率监测等生物传感功能集成到消费类手腕可穿戴设备中。仔细选择光学元件和将光机械集成到最终设计中是影响这些可穿戴传感器性能的重要因素。选择光学元件时，请仔细考虑LED的波长和发光效率，波长和光电二极管的响应度。对于最高质量的信号，重要的考虑因素包括封装、串扰抑制屏障以及仔细确定 LED 与光电二极管的分离。

审核编辑：郭婷