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)的相互作用。

PPG測(cè)量通過組織的反射（背散射）或透射光，以研究每次心跳時(shí)血容量的變化。研究人員和醫(yī)生通過使用不同的算法處理PPG數(shù)據(jù)，得出了心率，呼吸頻率，血氧飽和度，血管粘度，靜脈反流，冷敏感性，血壓和心輸出量等信息。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。

我們提出了以下等式：

其中SNR是PPG數(shù)據(jù)的信噪比，ILED是LED電流，CTR是LED電流和光電探測(cè)器（PD）電流之間的傳遞比，PI是受試者的灌注指數(shù)，NTX、NPD和NRX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)我們將信噪比作為PPG數(shù)據(jù)可靠性的衡量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，我們會(huì)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)揮著重要作用。請(qǐng)考慮以下參數(shù)：

光學(xué)配置，包括光的波長(zhǎng)、LED 的效率和視場(chǎng)、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)都會(huì)影響傳感系統(tǒng)的CTR。

受試者的膚色、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門診和長(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PPG系統(tǒng)中的噪聲。在大多數(shù)可穿戴應(yīng)用中，N德克薩斯州和 N接收通過選擇具有更好固有信噪比性能的模擬前端，可以最小化。這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)辄c(diǎn)擊率通常很小，特別是當(dāng)小型化或其他工業(yè)設(shè)計(jì)考慮因素可能限制光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)。因此，方程分母中的噪聲項(xiàng)開始占主導(dǎo)地位。

通過增加 LED 功耗來提高 SNR。當(dāng)所有其他方法都失敗時(shí)，該方程向設(shè)計(jì)人員保證，他們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^提高I I來獲得可靠的PPG數(shù)據(jù)。發(fā)光二極管，當(dāng)然，這會(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，從而影響數(shù)據(jù)可靠性。

雖然低SNR通常表示缺乏數(shù)據(jù)可靠性，但運(yùn)動(dòng)偽影等其他因素可能會(huì)在不同程度上影響不同PPG數(shù)據(jù)派生信息的可靠性。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。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按年齡表示平均目標(biāo)心率）。人類心率低于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)期運(yùn)動(dòng)的用例中，可以使用更高的帶寬來允許算法使用真實(shí)PPG波形的特征來區(qū)分真正的PPG信號(hào)和帶內(nèi)運(yùn)動(dòng)偽影。

目標(biāo)心率

加速體積描記圖 （APG） 中的冠狀動(dòng)脈健康信息

由于PPG測(cè)量成本低且無創(chuàng)，許多研究人員專注于使用在臨床環(huán)境中獲取的PPG數(shù)據(jù)來診斷動(dòng)脈粥樣硬化等外周血管疾病，其中脂肪沉積會(huì)減小動(dòng)脈直徑。

處理PPG數(shù)據(jù)的常用方法是使用其二階導(dǎo)數(shù)，產(chǎn)生的波形通常稱為APG（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和冠心病風(fēng)險(xiǎn)。這些研究中的技術(shù)包括頻率的信息，通常從0.05Hz到20Hz，明顯高于基本心率。由于高頻分量要弱得多，這些PPG測(cè)量需要更高的SNR，并且對(duì)低通濾波器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理的依賴性較小。例如，對(duì) APG 功能的簡(jiǎn)單分析包括：

動(dòng)脈僵硬。APG的比率b / a的大小與外周動(dòng)脈的擴(kuò)張性有關(guān)，并且可能是動(dòng)脈粥樣硬化和動(dòng)脈擴(kuò)張性的非侵入性指數(shù)。其他人注意到 c/a 和 d/a 比率反映了動(dòng)脈硬度降低。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)人患心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)。

年齡估計(jì)。有幾篇出版物提出了不同的APG比率，包括（c + d-b）/ a，作為估計(jì)受試者年齡的一種手段。

圖2.加速度體積描記法。

心率變異性 （HRV）/脈搏變異性 （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)生的心跳間期來測(cè)量自主神經(jīng)系統(tǒng)。由于跳頻間隔變化緩慢，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，用于采集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)影響所分析PRV變量的準(zhǔn)確性。

SpO2

脈搏血氧飽和度或 SpO2，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消除噪聲和運(yùn)動(dòng)偽影的影響，但這個(gè)問題在可穿戴應(yīng)用中仍然存在。這是由于運(yùn)動(dòng)偽像的復(fù)雜性。

運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致組織與傳感器耦合的變化。這是一個(gè)基本的假設(shè)，即這兩個(gè)波長(zhǎng)基本上共享相同的光路。當(dāng)被攝體的移動(dòng)導(dǎo)致每個(gè)光源行進(jìn)的路徑之間出現(xiàn)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)，從而改變被觀察組織的特征。

在這里，數(shù)據(jù)可靠性需要一種算法來了解PPG數(shù)據(jù)是干凈的還是被運(yùn)動(dòng)損壞的。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PPG之外可能可用的其他傳感器信息有關(guān)，而不是與心率或腐敗運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

示例：PPG 數(shù)據(jù)的功率譜密度

圖3是一組PPG數(shù)據(jù)得出的功率譜密度，這些數(shù)據(jù)在正常行走的受試者上以每秒40個(gè)樣本的速度在不到100秒的時(shí)間內(nèi)捕獲。它已被截?cái)啵瑑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至8Hz）頻譜能量以運(yùn)動(dòng)偽影為主。這說明了為高階分析（例如使用 APG 波形）連續(xù)獲取可用數(shù)據(jù)的困難。算法必須能夠區(qū)分干凈、可用的數(shù)據(jù)與被運(yùn)動(dòng)或其他偽影損壞的數(shù)據(jù)。

圖3.來自PPG數(shù)據(jù)的功率譜密度。

總結(jié)

本文從一般信噪比的角度以及頻域中信息的有用性的角度研究了PPG數(shù)據(jù)可靠性的貢獻(xiàn)因素。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，當(dāng)PPG數(shù)據(jù)可能損壞時(shí)，這些傳感器可能會(huì)提醒算法

通過設(shè)計(jì)到可穿戴設(shè)備中的光學(xué)傳感器收集的可靠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和福祉。

審核編輯：郭婷