常見噪聲和誤差源如何影響光學(xué)生物傳感

光學(xué)傳感器是最常見的生物傳感器類型。本應(yīng)用筆記探討了影響光學(xué)傳感的常見噪聲和誤差源，包括測量中捕獲的環(huán)境混雜因素的影響以及用戶群體之間的生理變化。本文檔還總結(jié)了可穿戴生物傳感器的當(dāng)前功能，并討論了光學(xué)生物傳感應(yīng)用的未來。

PPG 傳感器和環(huán)境噪聲

PPG在臨床環(huán)境中的使用受到了很多關(guān)注;例如，指夾上的脈搏血氧儀。然而，即使在最無菌的臨床環(huán)境中，光學(xué)傳感器也可以捕獲可能影響其光路的環(huán)境變化并混淆體積描記法信息。您可以想象，在控制較少的可穿戴配置中，這變得多么具有挑戰(zhàn)性。

環(huán)境混雜因素或噪聲通常分為兩大類：光學(xué)和生理。光噪聲是指傳感器看到的光路的變化特性，這些特性與觀察到的血液體積的光吸收無關(guān)。例如，光學(xué)傳感器可以拾取環(huán)境光。這可能特別麻煩，因?yàn)槭覂?nèi)照明通常包含閃爍，這會(huì)周期性地影響感測光信號(hào)的偏移并干擾PPG信號(hào)。同樣，生理變化可能會(huì)改變組織中的血流量和體積，從而改變PPG信號(hào)。

雖然這些挑戰(zhàn)存在于每個(gè)環(huán)境中，但它們?cè)诳刂戚^少的環(huán)境中變得更加明顯，例如最有可能發(fā)現(xiàn)可穿戴應(yīng)用的環(huán)境。即便如此，PPG仍然受到可穿戴設(shè)備的歡迎，因?yàn)樵摷夹g(shù)已被證明在監(jiān)測佩戴者的關(guān)鍵生命體征方面是可靠的。

為了減輕其中一些偽影的影響，先進(jìn)的PPG IC現(xiàn)在具有智能信號(hào)路徑。算法也變得越來越復(fù)雜。因此，設(shè)計(jì)師現(xiàn)在可以將PPG納入各種外形尺寸，包括耳塞、戒指、項(xiàng)鏈、頭帶和臂帶、手鐲、手表和智能手機(jī)。

PPG傳感系統(tǒng)的性能考慮因素

圖1.PPG電路中的噪聲源。

在討論光噪聲之前，了解PPG傳感系統(tǒng)的整體性能考慮因素很有用（見圖1）?？纱┐鱌PG電路的主要任務(wù)是最大限度地提高信噪比（SNR），同時(shí)節(jié)省消耗的功率。

灌注指數(shù)（PI）表示組織中脈動(dòng)血流與靜態(tài)（非脈動(dòng)）血的比率。在數(shù)學(xué)上，它是PPG信號(hào)的交流部分作為整體信號(hào)的一部分。

影響發(fā)射路徑噪聲和功率的一個(gè)關(guān)鍵因素是LED驅(qū)動(dòng)器，它控制LED電流的幅度、瞬態(tài)以及上升和下降時(shí)間。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檢測范圍內(nèi)保持功率效率，并不斷提高信號(hào)線性度。

集成PPG傳感器前端電路，如MAX30112，通過將這些功能集成到單個(gè)高性價(jià)比IC中，簡化了PPG的實(shí)現(xiàn)考慮。MAX30112等IC驅(qū)動(dòng)LED光源，并對(duì)所得光電探測器輸出進(jìn)行采樣。根據(jù)LED和光電探測器的選擇，所涉及的光電流范圍從sub-nA到數(shù)十μA。

環(huán)境光條件對(duì)PPG的影響

直流和交流環(huán)境光條件都可能對(duì)PPG造成問題。強(qiáng)恒定（DC）環(huán)境光會(huì)使光電探測器飽和，從而使PPG波形無法檢測到。鑒于此，前端電路必須在LED關(guān)閉時(shí)捕獲環(huán)境光電平，并在對(duì)PPG信號(hào)進(jìn)行采樣之前從光電探測器輸出中減去該電平，如圖2所示。在該概念圖中，為了避免轉(zhuǎn)換器飽和，在采樣之前去除粗大的直流信號(hào)，采樣和濾波技術(shù)可以解決其他環(huán)境光偽影。去除環(huán)境光成分后，可以對(duì)PPG信號(hào)進(jìn)行采樣，而不會(huì)有飽和的風(fēng)險(xiǎn)。

照明（主要是室內(nèi)）的閃爍是PPG的另一個(gè)噪聲源。根據(jù)它們?cè)谑澜绲奈恢茫覂?nèi)燈可能會(huì)以 50Hz 或 60Hz 的基頻閃爍。該速率接近PPG信號(hào)采樣的頻率。如果不加以校正，環(huán)境閃爍會(huì)為每個(gè)樣本產(chǎn)生不同的偏置偏移。MAX30112采用先進(jìn)的相關(guān)采樣技術(shù)，專門用于衰減任何50Hz/60Hz閃爍元件，可以減輕PPG信號(hào)閃爍的損壞影響。

圖2.概念圖顯示了PPG信號(hào)中用于環(huán)境消除的兩級(jí)濾波。

運(yùn)動(dòng)偽像如何影響PPG精度

一些 PPG 衍生的信息，例如脈搏血氧飽和度 （SpO2），尤其容易因運(yùn)動(dòng)偽影而損壞。SpO2通過使用比率R比較氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸收來測量，如下所示：

其中 PI1和 PI2是使用波長 1 和 2 處的兩個(gè)不同顏色的光測量的系統(tǒng)灌注指數(shù)。

跟

其中 l 是光程長度，ed和 eo是波長的脫氧和氧血紅蛋白的吸收系數(shù) 分別為 1 和 2。在大多數(shù)實(shí)現(xiàn)中，常量 （k1， k2， k3和 k4） 對(duì)給定的 PPG 設(shè)計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn) 使用已知的 SpO2來自一組測試對(duì)象的測量值。

由于比率R和PI在方程中占有突出地位，因此SpO的精度很高2取決于維持能力 一致的 PI 值。PPG探頭或可穿戴設(shè)備的光學(xué)/機(jī)械設(shè)計(jì)，以及 主題，都影響PI。當(dāng)受試者自愿或非自愿地身體移動(dòng)時(shí)，這種移動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致 傳感器相對(duì)于組織的機(jī)械位移。反過來，這可以動(dòng)態(tài)地修改效率。 光耦合，改變光程長度，否則會(huì)引起雜散信號(hào)動(dòng)態(tài)。偶數(shù)分鐘 運(yùn)動(dòng)會(huì)影響PPG信號(hào)。例如，呼吸運(yùn)動(dòng)通常耦合到PPG波形中。

運(yùn)動(dòng)也可能導(dǎo)致與動(dòng)脈脈搏無關(guān)的組織生理變化。例如，當(dāng) 受試者改變他或她的姿勢，運(yùn)動(dòng)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。這種變化將反映在PPG測量中，并且在脈搏血氧飽和度的背景下，可能是 解釋為錯(cuò)誤。生理變化也可能在沒有運(yùn)動(dòng)的情況下發(fā)生，例如當(dāng)有顯著變化時(shí) 在環(huán)境溫度或皮膚溫度或水合作用中。所有這些因素都會(huì)影響PPG觀察結(jié)果。

相當(dāng)多的研究已經(jīng)通過減少 運(yùn)動(dòng)偽影的影響。算法采用了不同的技術(shù)，從使用簡單的移動(dòng)平均線到復(fù)雜的 非線性自適應(yīng)濾波器。外部參考有助于鑒定運(yùn)動(dòng)偽影。這些參考資料包括 慣性傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)敏感，但對(duì)光學(xué)環(huán)境的變化不敏感，以及 第三個(gè)波長對(duì)光學(xué)環(huán)境的變化敏感，但對(duì)運(yùn)動(dòng)不敏感。盡管算法 然而，運(yùn)動(dòng)偽像的進(jìn)步繼續(xù)限制可穿戴PPG設(shè)備的精度。

可穿戴光學(xué)生物傳感器：新應(yīng)用

即使精度有限，PPG在可穿戴應(yīng)用中也取得了成功，因?yàn)樗鼈円苑乔秩胄缘姆绞?提供縱向生命體征信息，包括心率、脈搏率和脈搏血氧飽和度。此外，使用PPG 信號(hào)，先進(jìn)的算法已經(jīng)測量了心率變異性和血壓。

通過訪問源源不斷的健康信息，我們可以看到我們處理醫(yī)療保健的方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變。 從信息中獲得的見解可能會(huì)為整體診斷提供信息，有時(shí)在臨床可觀察到之前 出現(xiàn)癥狀。

事實(shí)上，可穿戴PPG的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了僅僅報(bào)告生命體征的范圍。將PPG數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)融合的輸入 機(jī)器學(xué)習(xí)，標(biāo)準(zhǔn)大學(xué)的早期研究使用日?？纱┐魃飩鞲衅鳒y量，包括心率， 皮膚溫度，SpO2，以及對(duì) 43 個(gè)人的身體活動(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。從這些觀察中，研究人員開發(fā)了計(jì)算 個(gè)性化疾病檢測算法。可以肯定的是，未來將有令人興奮和雄心勃勃的應(yīng)用程序。

審核編輯：郭婷