可穿戴耳塞設(shè)備中心率監(jiān)測器的光電機(jī)械集成指南

將心率監(jiān)測器與耳塞式耳機(jī)中的光機(jī)械集成是設(shè)計健身追蹤耳塞設(shè)備的基本步驟。選擇最小化串?dāng)_和最大化信號的設(shè)計會極大地影響信號的質(zhì)量。本應(yīng)用筆記討論了為獲得最佳性能而需要考慮的光學(xué)和機(jī)械方面。光學(xué)設(shè)計側(cè)重于光與皮膚和血液的相互作用。機(jī)械設(shè)計提供了增加與光學(xué)元件和表皮耦合的建議。

介紹

越來越多的人借助可穿戴健身臂帶和智能手表來跟蹤他們的身體健康狀況。這些活動追蹤器使用光學(xué)傳感器來測量心率和其他生物特征值。這項技術(shù)在可穿戴手腕應(yīng)用中建立起來，現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)移到可穿戴耳塞上。

Maxim Integrated 的 MAX86160 和 MAXM86161 是集成式心率傳感器模塊，針對耳塞應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。兩個模塊均包括內(nèi)部 LED、光電探測器、紅外傳感器和具有高動態(tài)范圍環(huán)境光抑制功能的低噪聲電子器件。這些產(chǎn)品是一個完整的系統(tǒng)解決方案，并帶有即插即用的軟件和強(qiáng)大的算法，可為用戶提供有意義的輸出。雖然模塊負(fù)責(zé)LED、光電探測器和電子模塊的集成，但客戶必須決定如何最好地將模塊集成到耳塞的工業(yè)設(shè)計中。本應(yīng)用筆記概述了反射式心率監(jiān)測器（如MAX86160/MAXM86161）的工作原理，并就如何將Maxim的心率監(jiān)測器集成到耳塞式器件中提供了實用建議。

操作理論

光電容積脈搏波（PPG）是光學(xué)傳感器測量心率的原理。隨著心臟泵血，動脈中運輸?shù)难毫繒l(fā)生變化。當(dāng)心臟排出血液時（收縮期），更多的血液流經(jīng)動脈，當(dāng)心臟抽血時（舒張期）流更少的血流。當(dāng)收縮期和舒張期心跳之間的血容量變化時，它會導(dǎo)致動脈層的光吸收系數(shù)發(fā)生變化。通過光學(xué)照射組織并測量透射光，可以確定由于血容量變化引起的吸收變化，并且可以恢復(fù)心率搏動信號。

在身體的某些區(qū)域（例如耳朵），透射式心率測量在邏輯上是困難的，因此使用反射測量。反射式心率監(jiān)測器由排列在同一平面上的光源和檢測器組成（圖 1）。發(fā)出的光穿透皮膚、組織和血管，并被吸收、散射或反射回光電探測器上。由于動脈中的血液量隨著心臟的每一次跳動而變化，因此吸收的光量和檢測器信號的強(qiáng)度也會發(fā)生變化。

圖1.反射光脈沖測量的原理。

光與皮膚的相互作用

皮膚由表面的三個主要層組成：無血表皮層（100μm厚），血管化真皮層（1mm至2mm厚）和皮下脂肪組織（1mm至10mm厚，取決于身體部位）。通常，這些層的光學(xué)特性由吸收（μa）、散射μs系數(shù)和各向異性因子（g）表征。

吸收系數(shù)表征在組織中行進(jìn)的光子每單位路徑長度的平均吸收事件數(shù)?？梢姽庾V范圍內(nèi)的主要吸收劑是黑色素，黑色素是由氧合血紅蛋白（Hb）、脫氧血紅蛋白（HbO）組成的血液2），和脂質(zhì)。在紅外光譜范圍內(nèi)，水的吸收主導(dǎo)著皮膚真皮的吸收特性。

圖2是人體皮膚的平面七層光學(xué)模型。此模型中包含的層如下：

角質(zhì)層

兩層活表皮。

第一層包含狀真皮和上血網(wǎng)真皮

第二層包含網(wǎng)狀真皮和下血網(wǎng)真皮

皮下脂肪組織

圖2.七層皮膚模型。第一層和最外層是角質(zhì)層，最內(nèi)層是皮下脂肪組織或脂肪層。

心率搏動信號來源于躺在下血網(wǎng)真皮層的動脈床，這是表1中七層組織模型中的第六層。該層的吸收光譜可以使用組織成分的吸收光譜及其相應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)使用以下公式計算：

μa（λ） = （Sμa.Hb（λ） + （1 - S）μa.HbO2(λ))θ血 + μA.梅爾(λ)θ梅爾 + μa.水(λ)θ水 + μA.利普(λ)θ唇

哪里μA.梅爾0 $梅爾, μa.水, μ水, μA.利普0 $唇分別是黑色素、水和脂質(zhì)的吸收系數(shù)和體積分?jǐn)?shù)。μA.HB和μa.HbO2是氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的吸收系數(shù)，θ血是血液的體積分?jǐn)?shù)。S是血氧飽和系數(shù)，通常在健康個體中約為95%。

使用公式1和組織成分的測量吸收光譜[1]計算下血網(wǎng)真皮中的吸收系數(shù)作為波長的函數(shù)。圖 3 繪制了結(jié)果。

圖3.下血網(wǎng)真皮層中的吸收系數(shù)作為波長的函數(shù)。

光機(jī)械設(shè)計注意事項

設(shè)計一個好的PPG解決方案是非常復(fù)雜的，而且經(jīng)常被低估。幸運的是，Maxim Integrated的模塊將發(fā)光元件、光電探測器和低噪聲電子元件集成到一個模塊中，在附有蓋板玻璃下，解決了設(shè)計中最具挑戰(zhàn)性的部分。但是，從光機(jī)械的角度來看，心率模塊仍然需要成功融入耳塞設(shè)計中，以確保可靠和精確的光信號。成功的集成使傳感器接收到的信號和信噪比最大化。通過最大化滲透到皮膚足夠深的信號以產(chǎn)生PPG信號并最大限度地減少串?dāng)_，最大限度地提高信噪比。串?dāng)_是傳感器上來自PPG信號以外的信號源的信號。

圖4顯示了典型的光機(jī)集成。LED/傳感器模塊位于客戶的工業(yè)設(shè)計之下。工業(yè)設(shè)計由透明蓋組成，該蓋子用作模塊和耳朵之間的防潮層和接口。Maxim模塊在LED和光電探測器之間提供內(nèi)部串?dāng)_屏障，但客戶可以使用額外的外部屏障來進(jìn)一步抑制串?dāng)_。有許多方法可以將串?dāng)_屏障和透明蓋集成到耳塞設(shè)計中。

圖4.典型的光機(jī)械設(shè)計。

透明蓋

為透明蓋選擇一種材料，該材料在心率監(jiān)測器使用的波長中具有高透射率（大于 90%），以最大限度地提高發(fā)射到皮膚中的光和從皮膚返回的信號。為了盡量減少傳輸損耗，透明蓋應(yīng)盡可能薄，同時仍提供堅固性以承受正常磨損。此外，透明蓋應(yīng)具有接近人體皮膚的折射率（約1.4），以最大程度地減少菲涅耳反射引起的透射損失。

康寧大猩猩玻璃符合這兩個標(biāo)準(zhǔn)?？祵幋笮尚刹ＡУ恼凵渎蕿?.5，Maxim模塊工作波長（532nm和880nm）處的透射率超過91%，玻璃提供了厚度薄至200μm的結(jié)構(gòu)良好的蓋板。其他潛在的候選材料包括丙烯酸樹脂和聚碳酸酯。??

將模塊集成到工業(yè)設(shè)計中的另一種方法是將模塊封裝在透明材料中。密封膠不僅具有防水性能，而且還增加了傳感器接收到的信號。通過選擇折射率接近人體皮膚的密封膠，最大限度地減少菲涅耳反射引起的傳輸損耗。此外，提供一些“給予”的密封劑會增加與皮膚的接觸面積和壓力。有機(jī)硅是常用的密封膠。表2列出了良好的候選有機(jī)硅及其作為封裝材料選擇的特性。

氣隙

由于機(jī)械公差，傳感器頂部和蓋玻片之間需要有氣隙。然而，引入氣隙允許光線從蓋玻片底部反射并擊中光電探測器。這種不需要的光線沒有穿過皮膚并降低心率監(jiān)測器的性能。隨著氣隙的增加，串?dāng)_增加。因此，氣隙應(yīng)保持在最小。此外，氣隙的增加會增加信號到達(dá)傳感器所需的路徑長度，從而減少傳感器接收的總信號。這是傳感器/LED之間氣隙最小化的另一個原因。我們建議不要超過 0.8 毫米的氣隙，以確?？山邮艿男阅?。

串?dāng)_抑制功能 - 光柵和墨水

為了獲得最佳性能，請盡量減少 LED 和光電探測器發(fā)出的光之間的串?dāng)_。Maxim模塊具有內(nèi)部光柵，可保持較低的串?dāng)_水平。以下方法也可以最大限度地減少串?dāng)_：

額外的外部光柵

在蓋玻片上，光線從蓋玻片反射回光電探測器的區(qū)域的吸收性油墨沉積（也稱為墨跡）

墨跡書寫還有一個額外的好處，即部分遮擋了用戶的電子設(shè)備，并使最終產(chǎn)品更賞心悅目。圖 5 顯示了這方面的示例。

圖5.光障 （a） 和墨跡書寫 （b）。

視野

為了最大化皮膚上的入射光和光電探測器上的返回信號，模塊的發(fā)射區(qū)域和視野不應(yīng)受到阻礙。例如，圖6所示的電梯井型結(jié)構(gòu)減少了入射到光電探測器上的信號，因為皮膚上的入射光被阻擋或吸收，并且并非所有信號都能夠到達(dá)光電探測器。

圖6.視野受阻。紅色射線顯示的光可能貢獻(xiàn)了信號，但信號被大氣隙和狹窄的開口阻擋。

組織接觸

當(dāng)透明蓋未正確耦合到設(shè)備和組織時，運動偽影會成為主要的噪聲源。透明蓋周圍可以使用柔韌的材料，以確保心率檢測所需的皮膚接觸。

關(guān)鍵參數(shù)的模擬比較

為了評估蓋板玻璃參數(shù)、氣隙和串?dāng)_抑制功能的影響，請考慮PPG測量的兩個關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)：灌注指數(shù)（PI）和串?dāng)_。

PI是檢測到的PPG信號的交流/直流比。PI 越高，性能越好。入射到光電探測器上的光信號由一個大的恒定直流和一個小的可變交流分量組成。直流分量不包含心率信息，而直流分量對應(yīng)于搏動動脈血[2]（圖7）。

串?dāng)_是沒有穿過任何皮膚的信號，可以通過其串?dāng)_分?jǐn)?shù)來量化，串?dāng)_分?jǐn)?shù)是尚未到達(dá)皮膚的信號與光電探測器上返回的總信號的比率。較高的串?dāng)_會降低PPG信號并降低PI。

圖7.皮膚的光吸收和相應(yīng)的直流和交流水平。

光線追蹤仿真演示了蓋玻片厚度、氣隙和屏障的影響。該模擬使用蒙特卡羅方法來追蹤在復(fù)雜、不均勻、隨機(jī)散射和吸收介質(zhì)中傳播的光線。皮膚的七層模型用于模擬耳朵的光學(xué)特性。

首先，模擬了氣隙變化對串?dāng)_的影響。對厚度為0.4mm的康寧大猩猩玻璃蓋板玻璃進(jìn)行了0.1mm至1.5mm的氣隙評估。隨著氣隙的增加，串?dāng)_自然也隨之增加。

通過對仿真結(jié)果進(jìn)行后處理來評估串?dāng)_增加對性能的影響，以確定PI變化與氣隙的函數(shù)關(guān)系。結(jié)果表明串?dāng)_對PPG信號質(zhì)量的損害有多大（圖8）。

圖8.光電探測器上的串?dāng)_信號與氣隙的關(guān)系。

圖9.PI 作為氣隙的函數(shù)。

接下來，模擬了蓋玻片厚度變化對串?dāng)_的影響。使用康寧大猩猩玻璃進(jìn)行模擬，厚度為0.2mm至1.0mm，固定氣隙為0.2mm。結(jié)果表明，隨著玻璃厚度的增加，串?dāng)_也會增加（圖10）。這種串?dāng)_是由于玻璃內(nèi)部的光從LED引導(dǎo)到光電探測器。通過對仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，確定蓋玻片厚度增加導(dǎo)致串?dāng)_增加對PI的影響（圖11）。

圖 10.光電探測器上的串?dāng)_與蓋玻片厚度的關(guān)系。

圖 11.光電探測器上的PI作為蓋玻片厚度的函數(shù)。

正如預(yù)期的那樣，由于蓋玻片引入串?dāng)_，心率監(jiān)測器的PPG信號在放置在蓋玻片后面時會降低。隨著蓋玻片厚度的增加，這種降解變得更加嚴(yán)重。此外，由于通過蓋玻片的傳輸損耗，光電探測器上的總信號隨著厚度的增加而減小。由于這些原因，應(yīng)盡量減少蓋板玻璃的厚度。但是，太薄的蓋板玻璃太脆弱，容易碎裂。因此，有必要在最終客戶的工業(yè)設(shè)計中找到性能和機(jī)械穩(wěn)定性之間的平衡。

總結(jié)

將 LED、光電探測器、紅外傳感器和低噪聲電子元件集成到心率測量模塊中，有助于將生物傳感功能整合到耳塞等消費類可穿戴設(shè)備中。這些模塊的性能在很大程度上取決于它們與最終客戶設(shè)計的光機(jī)械集成。本應(yīng)用筆記概述了成功集成反射式心率監(jiān)測模塊需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)，并討論了每個參數(shù)如何影響性能。為確保最高質(zhì)量的信號，請使用高透射蓋玻片，并盡量減少蓋玻片和心率監(jiān)測模塊之間的氣隙。蓋板玻璃厚度是機(jī)械剛性問題和性能之間的權(quán)衡。屏障和吸收性墨跡等外部特征可以大大減少LED和光電探測器之間的串?dāng)_，以增強(qiáng)PPG信號。

審核編輯：郭婷