影響移動(dòng)和可穿戴應(yīng)用中的光學(xué)傳感器的常見(jiàn)噪聲和錯(cuò)誤源

PPG傳感器捕獲什么？

人們已經(jīng)將許多注意力集中在在臨床環(huán)境中使用PPG。例如，手指夾上的脈搏血氧儀。但是，即使在最無(wú)菌的臨床環(huán)境中，光學(xué)傳感器也會(huì)捕獲影響其光路的所有環(huán)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(zhàn)性。

通常，環(huán)境混雜因素（或噪聲）可分為兩大類(lèi)：光學(xué)干擾和生理干擾。光學(xué)噪聲是指?jìng)鞲衅骺吹降墓饴纷兓匦裕c所觀察到的血液吸收的光無(wú)關(guān)。例如，光學(xué)傳感器可以拾取環(huán)境光。由于室內(nèi)照明通常包含閃爍，該閃爍會(huì)周期性地影響所感測(cè)的光信號(hào)的偏移并干擾PPG信號(hào)，因此這可能特別麻煩。同樣，生理變化可能會(huì)改變組織中的血流量和體積，進(jìn)而改變PPG信號(hào)。

這些挑戰(zhàn)在每種情況下都存在，并且在可穿戴應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的不受控制的環(huán)境中更加明顯。但是，PPG在可穿戴設(shè)備中仍然很受歡迎，因?yàn)樗且环N監(jiān)控穿戴者關(guān)鍵生命體征的可靠方法。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，高級(jí)PPG IC現(xiàn)在具有智能信號(hào)路徑，以減輕其中一些工件的影響。除改進(jìn)的算法外，它們還使設(shè)計(jì)人員可以將PPG包含在許多外形尺寸中，包括耳塞，戒指，項(xiàng)鏈，頭和臂帶，手鐲，手表和智能手機(jī)。

以下各節(jié)將更詳細(xì)地討論光學(xué)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(tǒng)的總體性能考慮因素很有用（圖1）?？纱┐鱌PG電路的主要任務(wù)是在保持功耗的同時(shí)最大化信噪比（SNR）。

PI代表灌注指數(shù)，是組織中搏動(dòng)性血液流量與靜態(tài)（非搏動(dòng)性）血液的比率。從數(shù)學(xué)上講，它是PPG信號(hào)的AC部分，占整個(gè)信號(hào)的一部分。

LED驅(qū)動(dòng)器控制著LED電流的大小，瞬變以及上升和下降時(shí)間，是導(dǎo)致發(fā)射路徑上的噪聲和功率的關(guān)鍵因素。在接收路徑上，PPG電路處理抗混疊，采樣和環(huán)境光抑制。這些電路還可以在寬范圍的感測(cè)范圍內(nèi)保持功率效率以及信號(hào)線性度。

集成的PPG傳感器前端電路，例如MAX30112，通過(guò)將這些功能組合到單個(gè)成本有效的IC中，簡(jiǎn)化了PPG的實(shí)現(xiàn)考慮。它驅(qū)動(dòng)LED光源并采樣光電探測(cè)器的輸出。根據(jù)LED和光電檢測(cè)器的選擇，所涉及的光電流范圍從亞nA到數(shù)十μA。

環(huán)境光抑制

盡管本文以前僅引用了環(huán)境光閃爍，但是DC和AC環(huán)境光條件都可能給PPG帶來(lái)問(wèn)題。強(qiáng)恒定（DC）環(huán)境光會(huì)使光電檢測(cè)器飽和，從而使PPG波形無(wú)法檢測(cè)。因此，前端電路必須在LED熄滅時(shí)捕獲環(huán)境光水平，并在對(duì)PPG信號(hào)進(jìn)行采樣之前將其從光電檢測(cè)器的輸出中減去（圖2）。一旦去除了環(huán)境光分量，就可以對(duì)PPG信號(hào)進(jìn)行采樣而不會(huì)出現(xiàn)飽和的風(fēng)險(xiǎn)。

照明中的閃爍（主要是室內(nèi)）為PPG帶來(lái)了另一種噪聲源。根據(jù)世界各地的不同，室內(nèi)燈光可能會(huì)以50Hz或60Hz的基本頻率閃爍，該頻率接近于對(duì)PPG信號(hào)進(jìn)行采樣的頻率。如果不進(jìn)行校正，則環(huán)境閃爍會(huì)導(dǎo)致每個(gè)樣本的偏置偏移不同。MAX30112采用先進(jìn)的相關(guān)采樣技術(shù)，專門(mén)設(shè)計(jì)用于衰減任何50 / 60Hz閃爍分量，以減輕其對(duì)PPG信號(hào)的破壞作用。

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

運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)偽影的破壞。通過(guò)使用比率R來(lái)比較氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸收來(lái)測(cè)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(zhǎng)為1和2的光獲得的系統(tǒng)的灌注指數(shù)。

由于比率R 和PI在方程式中占主導(dǎo)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(xué)/機(jī)械設(shè)計(jì)或受試者的可穿戴以及生理狀況的影響。受試者的身體運(yùn)動(dòng)，無(wú)論是自愿的還是非自愿的，都可能導(dǎo)致傳感器相對(duì)于組織的機(jī)械位移。這可以動(dòng)態(tài)地改變光耦合的效率，改變光路長(zhǎng)度，并否則引起寄生信號(hào)動(dòng)態(tài)。即使微小的移動(dòng)也會(huì)影響PPG信號(hào)。例如，由呼吸運(yùn)動(dòng)引起的運(yùn)動(dòng)通常被耦合到PPG波形中。

運(yùn)動(dòng)還可能導(dǎo)致與動(dòng)脈搏動(dòng)無(wú)關(guān)的組織生理變化。例如，改變她的姿勢(shì)的受試者可能會(huì)部分破壞血液流動(dòng)并動(dòng)態(tài)地重新分配靜脈血量。該變化將反映在PPG測(cè)量中，并且在脈搏血氧飽和度的背景下可以解釋為錯(cuò)誤。沒(méi)有運(yùn)動(dòng)也可能發(fā)生生理變化。顯著的環(huán)境溫度或皮膚溫度以及水合變化都會(huì)影響PPG的觀察結(jié)果。

通過(guò)減輕運(yùn)動(dòng)偽影的影響來(lái)提高脈搏血氧飽和度測(cè)量的準(zhǔn)確性是一個(gè)經(jīng)過(guò)充分研究的課題。從采用簡(jiǎn)單的移動(dòng)平均值到復(fù)雜的非線性自適應(yīng)濾波器，算法都采用了不同的技術(shù)。外部參考可以幫助限定運(yùn)動(dòng)偽影。這些參考文獻(xiàn)包括對(duì)運(yùn)動(dòng)敏感但對(duì)光學(xué)環(huán)境不敏感的慣性傳感器，以及對(duì)光學(xué)環(huán)境變化而不對(duì)運(yùn)動(dòng)敏感的第三波長(zhǎng)的光。即使有了算法上的進(jìn)步，運(yùn)動(dòng)偽影仍繼續(xù)限制可穿戴PPG設(shè)備的準(zhǔn)確性。

可穿戴光學(xué)生物傳感器的新興應(yīng)用

盡管其精確度受到實(shí)際限制，但PPG在可穿戴應(yīng)用中仍獲得了成功，因?yàn)樗鼈儫o(wú)創(chuàng)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(jí)算法已從PPG信號(hào)中測(cè)量了心率變異性和血壓。

提供持續(xù)的健康信息可以使我們的醫(yī)療保健方法得到發(fā)展。除了零星的臨床測(cè)試結(jié)果外，可穿戴設(shè)備還提供了補(bǔ)充信息，這些信息反映了穿戴者在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的細(xì)微變化。這樣的洞察力有時(shí)甚至在臨床上可觀察到的癥狀發(fā)生之前就可以為整體診斷提供依據(jù)。

可穿戴的PPG遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了僅報(bào)告生命體征的范圍。通過(guò)將PPG數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)融合和機(jī)器學(xué)習(xí)的輸入，標(biāo)準(zhǔn)大學(xué)的早期研究使用了可穿戴生物傳感器的日常測(cè)量值，包括對(duì)43個(gè)人的心率，皮膚溫度，SpO 2和身體活動(dòng)，以證明可穿戴傳感器可用于識(shí)別萊姆病和炎癥的發(fā)作。根據(jù)這些觀察結(jié)果，研究人員開(kāi)發(fā)了用于個(gè)性化疾病檢測(cè)的計(jì)算算法。確實(shí)，正在進(jìn)行更激動(dòng)人心和雄心勃勃的應(yīng)用程序。

陳恩恩（Ian Chen）是Maxim Integrated工業(yè)與醫(yī)療業(yè)務(wù)部門(mén)的執(zhí)行董事。

參考

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MR Ram，KV Madhav，EH Krishna，NR Komalla，KA Reddy，一種基于AS-LMS自適應(yīng)濾波器的新的降低PPG信號(hào)中運(yùn)動(dòng)偽影的方法，IEEE Trans。儀器儀表與測(cè)量，2012年，（編輯：此站點(diǎn)上的訂閱是必需的，但非常值得）

I Chen，《個(gè)人健康監(jiān)測(cè)器促進(jìn)個(gè)性化醫(yī)療保健》，NXP.com，2016年。

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S Mukherjee，可穿戴健身設(shè)備能否預(yù)測(cè)您的心臟病發(fā)作？，F(xiàn)ortune.com，2016年。

編輯：hfy