獲得可靠的傳感器數(shù)據(jù)：電子、光學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)之間的相互作用

獲取可靠的傳感器數(shù)據(jù)非常復(fù)雜。例如，光學(xué)心率傳感器實(shí)際上是在感應(yīng)電流的變化。心跳導(dǎo)致動(dòng)脈血量隨每個(gè)脈搏同步變化。體積的變化會(huì)改變光在通過活組織時(shí)吸收和反射的光量。當(dāng)該光離開組織并進(jìn)入光電探測(cè)器時(shí)，它會(huì)改變輸出電流。通過創(chuàng)建一個(gè)感應(yīng)系統(tǒng)，仔細(xì)設(shè)置一系列適當(dāng)?shù)摹岸嗝字Z骨牌”，電流傳感器成為心率傳感器。

這就是大多數(shù)傳感器的工作方式。傳感器通常進(jìn)行深?yuàn)W的電氣測(cè)量（電容、阻抗、電流、電壓）。但是通過一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一個(gè)感興趣的物理事件（加速度、壓力、腳步聲、距離）來改變這種測(cè)量。了解了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后，我們可以將變化解釋為物理參數(shù)，同時(shí)假設(shè)傳感系統(tǒng)中的其他一切都保持不變或至少得到良好控制。

但是，如果多米諾骨牌不都在設(shè)計(jì)師的控制之下呢？

本文將以光學(xué)心率傳感器為例，說明傳感器數(shù)據(jù)可靠性的挑戰(zhàn)。然而，傳感器質(zhì)量的復(fù)雜性適用于大多數(shù)傳感器，而不僅僅是光學(xué)傳感器。

了解光路

光路是光從光源（發(fā)射器）傳播到檢測(cè)器（接收器）的路徑。該路徑跨越一種或多種介質(zhì)，這些介質(zhì)中的任何變化都可能相互作用并影響探測(cè)器的光特性。因此，接收到的光封裝了整個(gè)光路沿介質(zhì)中的所有變化。

對(duì)于光學(xué)心率傳感器，光來自一個(gè)或多個(gè)LED，并瞄準(zhǔn)活組織。在到達(dá)組織之前，光線必須穿過空氣，有時(shí)穿過一層蓋玻片?？諝?、蓋玻片和組織表面是三種不同的光學(xué)介質(zhì)。同樣，組織不是均勻的，可以建模為具有不同折射率的連續(xù)光學(xué)介質(zhì)層。

在具有不同光學(xué)性質(zhì)的任何兩種介質(zhì)的界面上，光可以被吸收（衰減），反射（散射）到第一介質(zhì)中，或透射到第二介質(zhì)中。圖 1 簡單顯示了光線離開 LED 后穿過不同介質(zhì)時(shí)可能經(jīng)過的許多路徑。

圖1.光離開LED并穿過不同介質(zhì)后可以采取的路徑示例。

我們不關(guān)心所有可能的光路;只有那些以光電探測(cè)器結(jié)束的光路與光學(xué)傳感相關(guān)。心率感應(yīng)之所以有效，是因?yàn)槠渲幸环N介質(zhì)（毛細(xì)血管）會(huì)隨著時(shí)間的推移而改變體積，與心率同步。這種變化會(huì)影響吸收和反射的光量。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須確保大多數(shù)光從LED到光電探測(cè)器的路徑也與毛細(xì)管相互作用。

當(dāng)光可以到達(dá)光電探測(cè)器而不與毛細(xì)管相互作用時(shí)，或者當(dāng)光路上的某些東西發(fā)生意外變化時(shí)，數(shù)據(jù)可靠性就會(huì)受到影響。值得注意的是，蓋板玻璃上方的每種介質(zhì)都超出了設(shè)計(jì)師的控制范圍，某些光學(xué)特性甚至可能隨著時(shí)間的推移而改變。將光電探測(cè)器電流的任何變化解釋為心率的變化將是一種簡化。以下部分將介紹光路經(jīng)過的介質(zhì)的變化，以及它們?nèi)绾斡绊懝怆娞綔y(cè)器電流。

污垢對(duì)蓋板玻璃和其他衰減器的影響

蓋玻片上的污垢和污垢在實(shí)際應(yīng)用中可能是不可避免的。它們主要通過減少可能到達(dá)組織的LED光和檢測(cè)器接收到的光來衰減光電探測(cè)器電流。對(duì)于心率檢測(cè)，重要信息以周期性而不是信號(hào)的整體幅度傳輸。因此，只要發(fā)射器足夠強(qiáng)，一些衰減就不會(huì)導(dǎo)致任何信息丟失。但是，如果傳感配置使用多個(gè)LED或多個(gè)波長，則每個(gè)LED和/或波長的光強(qiáng)度可能不會(huì)受到相同比例的影響。

此討論可以擴(kuò)展到涵蓋設(shè)計(jì)人員無法控制的其他光衰減因素。這些因素包括頭發(fā)、皮膚色素和蓋玻片的顏色變化。每種介質(zhì)都用于在兩個(gè)方向上衰減通過它的光，并且每種介質(zhì)都可能比其他介質(zhì)對(duì)某些波長的光產(chǎn)生更大的影響。

更改氣隙或路徑長度

圖2描述了一個(gè)光學(xué)心率傳感器。皮膚表面與光學(xué)元件（光源和光電探測(cè)器）之間的距離通常稱為氣隙。

光被皮膚表面散射后可能進(jìn)入光電探測(cè)器（我r）或穿過某些組織層后（I）。只有I的光路可能受到組織變化的影響，因此可以包含有用的信息。因此，健全的心率傳感器必須將我r通過趨向于光源和光電探測(cè)器之間的分離及其相關(guān)的機(jī)械外殼設(shè)計(jì)。在這樣做時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)氣隙的大小做出假設(shè)，而實(shí)際上他們無法完全控制。當(dāng)氣隙變大時(shí)，我和我r會(huì)更弱，更難檢測(cè)，因?yàn)楣怆娞綔y(cè)器現(xiàn)在離得更遠(yuǎn)。同時(shí)，按比例從皮膚表面直接反射的光現(xiàn)在可以進(jìn)入光電探測(cè)器。這兩個(gè)因素都會(huì)降低傳感器數(shù)據(jù)的信噪比，使任何派生信息的可靠性降低。

圖2.在心率傳感器的光路中，氣隙會(huì)降低信噪比，使獲得可靠的傳感器數(shù)據(jù)變得更加困難。

此外，與污垢和污垢不同，氣隙也會(huì)周期性地變化;例如，當(dāng)受試者劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器和目標(biāo)組織之間的機(jī)械耦合可能會(huì)隨著有節(jié)奏的運(yùn)動(dòng)而改變。這將在不受毛細(xì)管脈動(dòng)控制的光電探測(cè)器電流中引入不同的周期性變化。因此，心率檢測(cè)算法可能會(huì)變得混亂。

不僅僅是“氣隙”中的空氣

在許多可穿戴應(yīng)用中，水（以汗水或雨水的形式）可能存在于“氣隙”中。由此產(chǎn)生的組合和變化很多，但我們可以考慮一些一般性。當(dāng)傳感目標(biāo)是主要由水組成的活組織時(shí)，氣隙中有水實(shí)際上縮小了氣隙與目標(biāo)之間的折射率差異。這應(yīng)該允許成比例地將更多的光傳輸?shù)浇M織中，從而加強(qiáng)傳感機(jī)制。

解決該主題的生物變化

長期生物傳感和監(jiān)測(cè)的一個(gè)固有事實(shí)是，目標(biāo)（活組織）會(huì)生長和變化。例如，增加對(duì)組織的壓力可能會(huì)擠壓血流，減少或以其他方式損害光電探測(cè)器上檢測(cè)到的信號(hào)。同樣，組織的炎癥和腫脹會(huì)改變傳感器的光路。

通常，這些變化不是挑戰(zhàn)，而是長期光學(xué)生物傳感背后的目標(biāo)。能夠通過監(jiān)測(cè)通過組織的光的變化來捕獲生物變化，這使得光學(xué)生物傳感器不僅成為心率監(jiān)測(cè)的有用工具，而且是許多不同類型的非侵入性健康和保健監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。然而，在監(jiān)測(cè)一組生物變化時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須認(rèn)識(shí)到其他潛在的生物變化，以及它們?nèi)绾闻c光路相互作用以提供錯(cuò)誤信號(hào)并使傳感數(shù)據(jù)不那么可靠。

最大化信號(hào)路徑性能

由于可能影響光信號(hào)的所有因素，設(shè)計(jì)人員控制下的光數(shù)據(jù)路徑部分提供最佳信噪比性能變得越來越重要。高性能設(shè)計(jì)使辨別傳感器數(shù)據(jù)的可靠性變得更加容易。

例如，任何進(jìn)入光電探測(cè)器但沒有進(jìn)入目標(biāo)組織的光，而不僅僅是從LED光源發(fā)出的光，都會(huì)增加生物傳感信號(hào)的噪聲。一些集成模擬前端（AFE）器件，如MAX86140和MAX86171，對(duì)光電探測(cè)器上與LED光源異步的任何環(huán)境電流進(jìn)行采樣，并從光電探測(cè)器電流中減去它們。事實(shí)上，這些AFE甚至可以預(yù)測(cè)典型用例中環(huán)境光條件的變化，以便設(shè)計(jì)人員可以相信它們的影響對(duì)生物傳感信號(hào)幾乎沒有影響。

了解傳感器數(shù)據(jù)何時(shí)不可靠

由于光路上的許多事物可能會(huì)發(fā)生變化，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)采用其他機(jī)制來檢測(cè)潛在的變化，以確保傳感器數(shù)據(jù)的可靠性。

一種應(yīng)對(duì)策略是使用不受光路變化影響的傳感器來監(jiān)測(cè)何時(shí)可能發(fā)生此類變化。例如，加速度計(jì)可以注意到移動(dòng)的目標(biāo)，壓力傳感器可以感知增加的壓縮。由于這些傳感器使用與光學(xué)傳感器不同的模態(tài)，因此它們至少可以警告設(shè)計(jì)人員傳感器數(shù)據(jù)可能會(huì)受到損害，在某些情況下，甚至可以用于幫助緩解使用具有不同光路的數(shù)據(jù)，從而使結(jié)果更加可靠。

另一種策略是使用多個(gè)光頻率，因?yàn)槊糠N光學(xué)介質(zhì)對(duì)不同顏色的光衰減不同。因此，光路的變化會(huì)衰減或散射不同比例的每種彩色光。通過比較發(fā)射光和接收光的光譜組成，設(shè)計(jì)人員可以獲得有關(guān)光路如何變化的信息。

傳感器數(shù)據(jù)是解釋數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為有意義信息的算法的輸入。算法可以使用已知的物理模型或用例的上下文和歷史傳感器數(shù)據(jù)來確定新數(shù)據(jù)是否變得不可靠。在以后的文章中，我將更定量地研究傳感器數(shù)據(jù)和算法的交互，以便為設(shè)備最終用戶提供可靠且可操作的信息。

審核編輯：郭婷