使用光學(xué)生物傳感器創(chuàng)建

光學(xué)傳感器聚焦我們的福祉，闡明可以指導(dǎo)我們行為的可操作見解?！?a target="_blank">光學(xué)傳感很重要，因?yàn)樗猛緩V泛。我們將一些光線照射到我們想要分析的區(qū)域，光將與分析物相互作用，我們觀察光線如何變化，“Maxim的Ian Chen解釋道?！斑@是非常非侵入性的，也是非破壞性的。

Chen是該公司工業(yè)和醫(yī)療保健業(yè)務(wù)部門的執(zhí)行董事，他解釋說，在光學(xué)傳感中，我們正在測(cè)量光路是如何變化的，檢查光強(qiáng)度、熒光的存在、干涉圖案和光的不同行為等因素。傳統(tǒng)的家用煙霧探測(cè)器是常見傳感系統(tǒng)的一個(gè)例子。這些探測(cè)器測(cè)量在光學(xué)室中遮擋光線的微粒，假設(shè)任何阻擋光線的東西都是煙霧。但它們?nèi)菀壮霈F(xiàn)誤報(bào)。另一方面，智能光學(xué)感應(yīng)煙霧探測(cè)器將利用兩種顏色的光，因?yàn)楣庖蝾伾?。?dāng)煙霧被露天捕獲時(shí)，使用光學(xué)傳感可提供更快的響應(yīng)，并且由于探測(cè)器可以密封，因此這種方法也非常堅(jiān)固。

在醫(yī)療保健應(yīng)用中，光學(xué)心率監(jiān)測(cè)涉及將光（通常是綠色LED）照射到人體組織中。然后檢查穿過或返回的光以確定該組織內(nèi)發(fā)生了什么。當(dāng)心臟搏動(dòng)時(shí)，進(jìn)入動(dòng)脈的血液量會(huì)膨脹和收縮，從而改變吸收或反射的光量。當(dāng)接收到光時(shí)，產(chǎn)生的信號(hào)與人類心跳成比例且同步。然而，挑戰(zhàn)在于皮膚不均勻;它的妝容因人而異。皮膚由多層組織組成，每層組織都有自己的反射和透射指數(shù)。因此，光學(xué)設(shè)計(jì)軟件將組織的CAD模型與收集的光學(xué)心率監(jiān)測(cè)器數(shù)據(jù)集成在一起，以揭示見解?！皞鞲惺顷P(guān)于我們?nèi)绾螐乃衅渌绊懡邮招盘?hào)的東西中提煉出我們想要的信號(hào)。因此，這不僅僅是感知信號(hào)。我們需要了解生物學(xué)，“陳說。

這不僅僅是關(guān)于心跳

皮膚光學(xué)特性的差異將影響檢測(cè)到的光電容積描記圖（PPG）信號(hào)的大小和質(zhì)量。PPG是一種光學(xué)獲得的體積描記圖，它提供體積測(cè)量，通常用于可穿戴設(shè)備中以監(jiān)測(cè)生命體征。陳指出，設(shè)計(jì)人員還必須考慮諸如可穿戴設(shè)備的運(yùn)動(dòng)將如何影響接收信號(hào)，氣隙如何降低接收信號(hào)的強(qiáng)度，覆蓋信號(hào)的玻璃如何影響信號(hào)等因素。

脈搏中的信息比心跳多得多。如果你看一下信號(hào)的形狀，每個(gè)特征實(shí)際上都可以告訴我們額外的信息。使用光來詢問毛細(xì)血管是多維現(xiàn)象的一維表示。通過機(jī)器學(xué)習(xí)，我們可以查看脈搏的形狀，峰值的高度，峰值的潛伏期 - 所有這些信息都可以應(yīng)用于了解有關(guān)患者的其他事情，“他向全體觀眾解釋道。

雖然皮膚的構(gòu)成顯然不在設(shè)計(jì)師的控制范圍之內(nèi)，但可以通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)來控制的是豐富指數(shù)（PI）。PI是PPG信號(hào)的交流部分與其直流部分之間的比率。Chen解釋說，該設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)，就像可穿戴設(shè)備一樣，可以以某種方式最大化PI。例如，多個(gè)LED或多個(gè)光電探測(cè)器可以使可穿戴設(shè)備不易受到偶然運(yùn)動(dòng)的影響。與手表格式不同，貼片或入耳式設(shè)計(jì)也可以較少受到運(yùn)動(dòng)的影響。將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于心率或PPG信號(hào)提供了一種了解和調(diào)整系統(tǒng)中噪聲的方法。

使用多個(gè)光學(xué)傳感器也是有益的。在評(píng)估光學(xué)傳感器時(shí)，Chen討論了IC應(yīng)該解決的一些考慮因素。在發(fā)射路徑上，LED驅(qū)動(dòng)器噪聲和線性度是設(shè)計(jì)關(guān)注的問題之一，因?yàn)?a target="_blank">LED電源信號(hào)中的任何噪聲都會(huì)影響LED信號(hào)強(qiáng)度。在接收路徑上，環(huán)境光消除、寬信號(hào)范圍和高信噪比非常重要。他說，Maxim的環(huán)境光消除功能值得注意，因?yàn)樗捎昧藘刹椒ǎ?/p>

模擬粗略消除，在LED關(guān)閉時(shí)捕獲環(huán)境光水平，然后在對(duì)PPG信號(hào)進(jìn)行采樣之前從光電探測(cè)器輸出中減去。為避免轉(zhuǎn)換器飽和，在采樣前去除粗大的直流信號(hào)。

數(shù)字精細(xì)消除，采樣時(shí) LED 熄滅，消除殘余的 DC、AC 和 1/F 噪聲

Chen指出，光學(xué)傳感不斷發(fā)展，每一代產(chǎn)品的功耗都有所改善。反過來，更低的功耗支持傳感器融合等功能?！爱?dāng)我們研究傳感器融合時(shí)，有幾個(gè)想法可以提出?？纱┐鱾鞲衅骺捎糜诒O(jiān)測(cè)，比如心跳或血壓，或者它們可以用來為用戶提供一組連續(xù)的信息，“陳說，并指出這兩種用例都是有效的，但功耗曲線非常不同。

審核編輯：郭婷