傳感器能否提供可靠的數(shù)據(jù)取決于目標(biāo)信息、部署的算法以及給定用例的具體細(xì)節(jié)。光學(xué)生物傳感已成為智能手表和健身可穿戴設(shè)備的主流功能。本文將概述光學(xué)生物傳感器收集的光電容積脈搏波 （PPG） 數(shù)據(jù)之間的相互作用。

PPG 測(cè)量通過組織的反射（反向散射）或透射光，以研究每次心跳發(fā)生的血容量變化。研究人員和醫(yī)生通過使用不同的算法處理 PPG 數(shù)據(jù)，得出了包括心率、呼吸頻率、氧飽和度、血管粘度、靜脈回流、冷敏感性、血壓和心輸出量在內(nèi)的信息。捕獲的 PPG 數(shù)據(jù)能否可靠地提供所有這些見解取決于許多因素。

在之前關(guān)于光學(xué)生物傳感器的文章中，我們提出了以下等式：

其中SNR是 PPG 數(shù)據(jù)的信噪比，I LED是 LED 電流，CTR是 LED 電流和光電探測(cè)器 （PD） 電流之間的傳輸比，PI是對(duì)象的灌注指數(shù)，N TX， N PD和 N RX分別是發(fā)射器（LED 驅(qū)動(dòng)器）、PD 和接收器（模數(shù)轉(zhuǎn)換）中的噪聲。

當(dāng)我們將 SNR 作為 PPG 數(shù)據(jù)可靠性的衡量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，我們看到特定最終用途中的測(cè)量環(huán)境和底層 PPG 系統(tǒng)設(shè)計(jì)在確保可靠性方面發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用。考慮這些參數(shù)：

光學(xué)配置，包括光的波長(zhǎng)、LED 的效率和視野、PD 的響應(yīng)性以及光路的設(shè)計(jì)。這些因素中的每一個(gè)都有助于傳感系統(tǒng)的點(diǎn)擊率。

對(duì)象的膚色、皮膚溫度、血液灌注和傳感器在身體上的位置都會(huì)影響 PI。對(duì)于大多數(shù)用例，受試者的皮膚特征超出了設(shè)計(jì)師的控制范圍。盡管醫(yī)療實(shí)踐通常從手指和耳垂獲取 PPG 數(shù)據(jù)，但這些位置可能不便于動(dòng)態(tài)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。因此，許多設(shè)計(jì)期望并接受較低的 PI 值。

光學(xué)元件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)最終控制了 PPG 系統(tǒng)中的噪聲。在大多數(shù)可穿戴應(yīng)用中，N TX和 N RX可以通過選擇具有更好固有信噪比性能的模擬前端來(lái)最小化。這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)?CTR 通常是一個(gè)很小的數(shù)字，特別是當(dāng)小型化或其他工業(yè)設(shè)計(jì)考慮可能會(huì)限制光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)。因此，等式分母中的噪聲項(xiàng)開始占主導(dǎo)地位。

通過增加 LED 功耗來(lái)提高 SNR。當(dāng)所有其他方法都失敗時(shí)，該等式向設(shè)計(jì)人員保證，他們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^提高 I LED獲得可靠的 PPG 數(shù)據(jù)，這當(dāng)然會(huì)大大增加系統(tǒng)功耗。此外，過度的功耗可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的其他復(fù)雜性損害數(shù)據(jù)的可靠性。

雖然較差的 SNR 通常代表缺乏數(shù)據(jù)可靠性，但其他因素（例如運(yùn)動(dòng)偽影）可能會(huì)在不同程度上影響不同 PPG 數(shù)據(jù)衍生信息的可靠性。為了解釋這一點(diǎn)，我們將看一些可以嵌入 PPG 數(shù)據(jù)中的信息示例。正如下面的討論所示，在頻域中檢查 PPG 數(shù)據(jù)很有用。

心率或脈搏率

PPG 最普遍的應(yīng)用是監(jiān)測(cè)心率，這也是最可靠的數(shù)據(jù)（圖 1 表示按年齡劃分的平均目標(biāo)心率）。人的心率低于3Hz。它主要是音調(diào)意味著它是一個(gè)窄帶信號(hào)，因此，通過應(yīng)用于大多數(shù) PPG 數(shù)據(jù)的算法從大多數(shù)背景噪聲中恢復(fù)相對(duì)簡(jiǎn)單。在預(yù)期有運(yùn)動(dòng)的用例中，可以使用更高的帶寬來(lái)允許算法使用真正的 PPG 波形的特征將真正的 PPG 信號(hào)與帶內(nèi)運(yùn)動(dòng)偽影區(qū)分開來(lái)。

目標(biāo)心率

年齡每分鐘心跳的平均最大心率目標(biāo)心率范圍（以每分鐘心跳數(shù)為單位）

資料來(lái)源：美國(guó)心臟協(xié)會(huì)

加速體積描記圖 （APG） 中的冠狀動(dòng)脈健康信息

由于 PPG 測(cè)量成本低且無(wú)創(chuàng)，因此許多研究人員專注于使用在臨床環(huán)境下獲取的 PPG 數(shù)據(jù)來(lái)診斷周圍血管疾病，例如動(dòng)脈粥樣硬化，其中脂肪沉積會(huì)減小動(dòng)脈的直徑。

處理 PPG 數(shù)據(jù)的常用方法是使用其二階導(dǎo)數(shù)，得到的波形通常稱為 APG（參見圖 2）。在許多研究過程中，研究人員對(duì) APG 波形的形狀進(jìn)行了分類，以幫助診斷受試者的健康狀況和患冠心病的風(fēng)險(xiǎn)。這些研究中的技術(shù)包括頻率信息，通常從 0.05Hz 到 20Hz，明顯高于基本心率。而且由于高頻分量要弱得多，因此這些 PPG 測(cè)量需要更高的 SNR，而對(duì)信號(hào)調(diào)節(jié)的低通濾波器的依賴更少。例如，對(duì) APG 特征的簡(jiǎn)單分析包括：

動(dòng)脈僵硬。APG的b/a比值的大小與外周動(dòng)脈的擴(kuò)張性有關(guān)，可能是動(dòng)脈粥樣硬化和動(dòng)脈擴(kuò)張性的非侵入性指標(biāo)。其他人指出，c/a 和 d/a 比率反映了動(dòng)脈僵硬度的降低。一些研究甚至表明與弗雷明漢風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分呈正相關(guān)，該評(píng)分已被用于估計(jì)個(gè)體患心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)。

年齡估計(jì)。有一些出版物提出了不同的 APG 比率，包括 （c+db）/a，作為估計(jì)受試者年齡的一種手段。

圖 2. 加速度體積描記圖。

心率變異性 （HRV）/脈率變異性 （PRV）

使用 PPG 測(cè)量的 PRV 類似于心率變異性 （HRV），用于通過分析心臟活動(dòng)產(chǎn)生的心跳間隔來(lái)測(cè)量自主神經(jīng)系統(tǒng)。由于心跳間隔變化緩慢，可穿戴 PPG 數(shù)據(jù)的可靠性挑戰(zhàn)在于長(zhǎng)時(shí)間保持良好的傳感器與組織接觸。此外，用于獲取 PPG 數(shù)據(jù)的采樣率必須足夠高以避免時(shí)域量化，這會(huì)影響分析的 PRV 變量的準(zhǔn)確性。

血氧飽和度2

脈搏血氧飽和度或 SpO 2比上面列出的 PPG 測(cè)量更復(fù)雜，因?yàn)樗婕皟煞N不同波長(zhǎng)的光。研究人員提出了許多不同的方法來(lái)消除噪聲和運(yùn)動(dòng)偽影的影響，但問題在可穿戴應(yīng)用中仍然存在。這是由于運(yùn)動(dòng)偽影的復(fù)雜性。

運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致組織與傳感器的耦合發(fā)生變化。這是一個(gè)基本假設(shè)，即這兩個(gè)波長(zhǎng)共享基本相同的光路。當(dāng)對(duì)象的移動(dòng)導(dǎo)致每個(gè)光源行進(jìn)的路徑之間存在瞬時(shí)差異時(shí)，數(shù)據(jù)變得不可靠。此外，運(yùn)動(dòng)還可以影響靜脈血和其他非脈動(dòng)成分沿光路的運(yùn)動(dòng)，從而改變所觀察組織的特性。

在這里，數(shù)據(jù)可靠性需要一種算法來(lái)了解 PPG 數(shù)據(jù)是干凈的還是被運(yùn)動(dòng)破壞的。因此，對(duì)可靠數(shù)據(jù)的帶寬需求更多地與支持這種分類以及除了 PPG 之外還有哪些其他傳感器信息可用，而不是與心率或破壞性運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

一個(gè)例子：PPG 數(shù)據(jù)的功率譜密度

圖 3是從一組 PPG 數(shù)據(jù)中得出的功率譜密度，該數(shù)據(jù)在 40 秒內(nèi)以每秒 100 個(gè)樣本在正常行走的受試者身上捕獲。它已被截?cái)嘁詢H顯示從 0 到 15Hz 的頻譜。第一個(gè)突出的峰值（低于 3Hz）對(duì)應(yīng)于心率。較高頻率（》3 到 8Hz）的頻譜能量主要由運(yùn)動(dòng)偽影支配。這說(shuō)明了為高階分析（例如使用 APG 波形）導(dǎo)出連續(xù)可用數(shù)據(jù)的困難。算法必須能夠?qū)⒏蓛簟⒖捎玫臄?shù)據(jù)與被運(yùn)動(dòng)或其他偽影破壞的數(shù)據(jù)區(qū)分開來(lái)。

圖 3. PPG 數(shù)據(jù)的功率譜密度。

概括

本文從一般信噪比的角度和有用信息在頻域中的可能存在程度來(lái)研究 PPG 數(shù)據(jù)可靠性的貢獻(xiàn)者。設(shè)計(jì)人員可以通過以下方式提高數(shù)據(jù)可靠性：

確保 PPG 硬件本質(zhì)上提供光學(xué)信噪比性能

確保信號(hào)鏈為目標(biāo)信息提供足夠的帶寬

包括其他傳感器，它們可能會(huì)在 PPG 數(shù)據(jù)可能損壞時(shí)向算法發(fā)出警報(bào)

通過設(shè)計(jì)在可穿戴設(shè)備中的光學(xué)傳感器收集可靠的 PPG 數(shù)據(jù)，佩戴這些設(shè)備的人可以更深入地了解他們的健康狀況。

審核編輯：郭婷