用于可穿戴健身設(shè)備的LED傳感器

越來(lái)越多的人通過(guò)可穿戴小部件和合適的應(yīng)用軟件來(lái)跟蹤他們的體育健身運(yùn)動(dòng)。光學(xué)傳感器適合用于測(cè)量脈率和血氧飽和度。這種技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟，如今又可以移植到消費(fèi)類應(yīng)用，這得歸功于現(xiàn)代的LED技術(shù)。

所有這一切可以從記錄人們走路步數(shù)的手環(huán)算起?，F(xiàn)在，諸如健身手環(huán)和智能手表等多種運(yùn)動(dòng)跟蹤器還可以測(cè)量心率和其它生物指標(biāo)或監(jiān)視睡眠質(zhì)量。許多人非?？春媚軌蚋欁约航∩硭降男聶C(jī)會(huì)，這引發(fā)了越來(lái)越流行的“量化自我”運(yùn)動(dòng)。三星、蘋(píng)果和谷歌等業(yè)內(nèi)大型公司正攜合適的應(yīng)用、智能手表和智能手機(jī)進(jìn)入這一不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)。

雖然計(jì)步器使用的是加速度傳感器，但醫(yī)療領(lǐng)域中常用于脈搏和血氧測(cè)量的光學(xué)方法正在進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)。在醫(yī)院環(huán)境中，傳感器大多數(shù)安裝在耳朵或手指夾中。2013年，Mio Alpha公司的智能手表成為第一款使用光學(xué)傳感器在手腕上測(cè)量脈率的手環(huán)產(chǎn)品——與運(yùn)動(dòng)員穿戴的胸帶相比有了顯著改進(jìn)，沒(méi)有人愿意整天把胸帶戴在身上。智能手機(jī)也可以用來(lái)在手指上測(cè)量脈率。第一批健身手環(huán)如今正在進(jìn)入市場(chǎng)，只需簡(jiǎn)單地將你的手指放在屏幕上，就可以測(cè)量血液中的氧飽和度。這個(gè)功能非常實(shí)用，比如對(duì)于在高海拔地區(qū)工作的人員，如登山者、高空滑翔人員和滑翔機(jī)引導(dǎo)員，以及得了心臟疾病或肺病的人等。

光學(xué)測(cè)量方法

傳感器測(cè)量脈率和血氧飽和度的原理被稱為光學(xué)體積描記法(PPG)，換句話說(shuō)，光學(xué)測(cè)量的是血管中血流量變化。這種方法利用這個(gè)原理：動(dòng)脈中輸送的血流量隨心臟泵送周期呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。心臟有節(jié)奏地按一定周期泵血(心臟收縮)和抽血(心臟舒張)。這意味著在心臟收縮階段會(huì)有更多的血流經(jīng)動(dòng)脈，在心臟舒張階段血流則較少。通過(guò)測(cè)量身體某個(gè)特定部位的血流量變化，就可以從被測(cè)信號(hào)的周期性得到脈率。

血流量的測(cè)量依據(jù)的是血液中的血紅蛋白吸收光線的能力(圖1)。傳感器由彼此緊鄰放置的光源和檢測(cè)器組成，測(cè)量時(shí)需直接放在皮膚上。發(fā)出的光滲透進(jìn)皮膚、組織和血管，并被吸收、發(fā)射和反射。檢測(cè)器記錄的反射光強(qiáng)度將根據(jù)流經(jīng)動(dòng)脈的血流量變化而變化(圖2)。用于這種測(cè)量的合適波長(zhǎng)取決于在人體的哪部分進(jìn)行測(cè)量。綠光可以在手腕處提供最佳結(jié)果，而紅光和紅外光一般用于手指頭處的測(cè)量。

圖1：反射光脈搏測(cè)量原理。傳感器發(fā)出的光透過(guò)皮膚和組織，一部分被吸收，一部分被反射回檢測(cè)器。因?yàn)閯?dòng)脈中的血流量隨心臟的每次跳動(dòng)會(huì)有所變化，因此光線被吸收的量以及檢測(cè)器收到的信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)隨之發(fā)生改變。綠光可以在手腕處提供最佳結(jié)果，而紅光和紅外光一般用于手指測(cè)量。

圖2：PPG測(cè)量中檢測(cè)器信號(hào)的產(chǎn)生。照射皮膚的光線(I0)被靜脈血或動(dòng)脈血吸收，或反射回檢測(cè)器。信號(hào)的變化分量對(duì)應(yīng)著與心跳同步變化的動(dòng)脈血流量。這個(gè)信號(hào)的變化周期指示了脈率。最小和最大檢測(cè)器信號(hào)的比值(光電流Imin/Imax)為判斷血氧飽和度提供了依據(jù)。

如果用紅外光和紅光測(cè)量吸收率，就可以確定動(dòng)脈血中的血氧飽和度。這種方法被稱為脈搏血氧計(jì)，是確定血氧飽和度的唯一非侵入式方法，換句話說(shuō)，也是唯一不需要采血的一種方法。脈搏血氧計(jì)利用了這樣一個(gè)事實(shí)：血中氧氣濃度不同，吸收的光量也不同。氧氣在血液中是通過(guò)血紅蛋白分子(Hb)運(yùn)送的。Hb與氧分子結(jié)合后會(huì)形成氧合血紅蛋白(HbO2)，其吸收性能也會(huì)發(fā)生改變(圖3)。血液中兩種血紅蛋白分子(cHbO2和cHb)的濃度指示了氧飽和度SpO2：SpO2= cHbO2/(cHbO2+ cHb)。

圖3：血液中的血色素——血紅蛋白(Hb)的光線吸收性能在與氧分子結(jié)合時(shí)(氧合血紅蛋白或HbO2)會(huì)發(fā)生改變。血氧飽和度可以通過(guò)使用紅光和紅外光的PPG測(cè)量方法進(jìn)行確定。

在受輻射媒介中光線吸收物質(zhì)的濃度是光線吸收率的函數(shù)。在PPG測(cè)量中，有兩種不同波長(zhǎng)的光用于獲得可靠的cHbO2和cHb指示。波長(zhǎng)為660nm(nm)的紅光和波長(zhǎng)為940nm的紅外光非常適合這種應(yīng)用場(chǎng)合，因?yàn)閮煞N血紅蛋白分子(Hb和HbO2)對(duì)這兩種光線具有差異最大的吸收性能(圖3)。為了判斷動(dòng)脈中的血氧飽和度，我們需要檢查脈沖信號(hào)分量的吸收情況(圖2)。氧飽和度(SpO2)可以表示為相關(guān)波長(zhǎng)條件下最小與最大檢測(cè)器信號(hào)(Imin和Imax)之比值的函數(shù)。

正是薄膜芯片技術(shù)的發(fā)展，使得生產(chǎn)具有約30nm窄頻譜帶寬的高效率LED成為可能。這種技術(shù)還確保了更高的系統(tǒng)效率，因?yàn)楸∧ED幾乎是從頂部發(fā)射全部的光線，因此基本上所有光線都可以得到充分利用。設(shè)計(jì)也必須確保波長(zhǎng)在整個(gè)測(cè)量中保持穩(wěn)定，雖然在測(cè)量過(guò)程中芯片會(huì)有溫升。除了LED良好的熱穩(wěn)定性外，短脈沖也是保持波長(zhǎng)穩(wěn)定的一種好方法。小于0.3ms的脈沖長(zhǎng)度、重復(fù)率約2ms的脈沖是比較理想的。波長(zhǎng)的選擇取決于想做的測(cè)量。對(duì)于戴在手腕上的傳感器來(lái)說(shuō)，最好使用波長(zhǎng)約530nm的綠光LED;指頭傳感器則通常使用紅色(660nm)或紅外(940nm)光線。LED有多種版本，因此可以適合不同的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。脈搏傳感器用一種波長(zhǎng)就足夠了，而測(cè)量血氧飽和度通常要交替使用紅外和紅外光。

對(duì)于檢測(cè)器而言，關(guān)鍵要求包括高線性度、卓越的靈敏度和良好的信噪比。在測(cè)量血氧值時(shí)線性度尤其重要，因?yàn)楸仨毞浅＞_地測(cè)量絕對(duì)光電流值Imin和Imax。具有低暗電流的大面積光電二極管是很合適的，比如SFH 2400或帶環(huán)境光線濾波器的SFH 2430。光電二極管還提供快速開(kāi)關(guān)時(shí)間，因此可以很好地對(duì)應(yīng)所要求的短LED脈沖。

像SFH 7050這樣的集成化傳感器則是一種緊湊的解決方案。這種多芯片傳感器包含了3個(gè)LED和1個(gè)光電二極管，是專門(mén)為可穿戴設(shè)備和智能手機(jī)中的脈搏和血氧飽和度測(cè)量設(shè)計(jì)的。其中的高效率LED采用薄膜技術(shù)制造，發(fā)出的光(綠色是530nm，紅色是660nm，紅外是940nm)具有很窄的帶寬，因此這種傳感器可以支持手腕處的脈率測(cè)量和手指頭上的血氧飽和度測(cè)量。集成的光線屏障可以很好地防止光線從LED串?dāng)_到光電二極管。根據(jù)具體的應(yīng)用，3個(gè)LED可以單獨(dú)工作，也可以輪流受控。

SFH 7050中的紅外LED也可以與接收器組合在一起用作接近傳感器，從而實(shí)現(xiàn)傳感器接觸或離開(kāi)皮膚時(shí)自動(dòng)開(kāi)始或停止測(cè)量。用于醫(yī)療應(yīng)用中PPG和脈搏血氧測(cè)量的芯片組市場(chǎng)上已經(jīng)有現(xiàn)成的，可用于控制LED和數(shù)字化檢測(cè)器信號(hào)。TI公司的TI AFE 4403就是一個(gè)具有優(yōu)秀數(shù)字化分辨率(22位)的好例子。

傳感器設(shè)計(jì)

與所有傳感器一樣，信號(hào)質(zhì)量是設(shè)計(jì)脈率和血氧飽和度測(cè)量用光學(xué)傳感器時(shí)最重要的考慮因素之一。完整的檢測(cè)器信號(hào)由一個(gè)非常大的恒定(直流)分量和一個(gè)小的可變(交流)分量——對(duì)應(yīng)脈沖式動(dòng)脈血——組成(圖2)。舉例來(lái)說(shuō)，在淺色皮膚的人手腕上用波長(zhǎng)為530nm、電流為8mA的LED進(jìn)行測(cè)量，將產(chǎn)生約0.00035的交流/直流比。而對(duì)于一個(gè)深色皮膚的人來(lái)說(shuō)，這個(gè)值就比較低，但在手指頭上測(cè)量又可能高出約10倍。作為整個(gè)信號(hào)的一小部分，這種特別小的交流信號(hào)對(duì)數(shù)字化過(guò)程來(lái)說(shuō)是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)——特別是測(cè)量血氧值時(shí)。在這種情況下，必須對(duì)整個(gè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，以便交流分量的分辨率及其最大最小值(Imin和Imax)可以很高。在實(shí)際使用中，這意味著總體信號(hào)要求至少16位的分辨率。如果只需測(cè)量心率，那么只有信號(hào)的周期性變化才重要，信號(hào)絕對(duì)值則可以忽略。在這種情況下，恒定分量可以用帶通濾波器加以抑制，剩下的交流分量經(jīng)放大后給交流/直流轉(zhuǎn)換器。光電流的最小和最大值要取得高的分辨率，緊靠著皮膚測(cè)量也很重要。典型的采樣率每通道在25Hz和500Hz之間，LED脈沖長(zhǎng)度則在0.5ms至5ms范圍內(nèi)。

另外一個(gè)因素是環(huán)境光線。即使傳感器正確放置在皮膚上，環(huán)境光線也可能到達(dá)接收器，因?yàn)榧t外光能夠透進(jìn)皮膚很深，并在內(nèi)部發(fā)散。環(huán)境光將對(duì)信噪比產(chǎn)生負(fù)面影響，因此需要盡可能地加以抑制，比如通過(guò)傳感器與身體之間的良好接觸，或通過(guò)檢測(cè)器上專門(mén)帶的環(huán)境光濾波器。這種濾波器將檢測(cè)器的最大靈敏度從紅外光譜轉(zhuǎn)換到可見(jiàn)光譜，比如在使用光電二極管SFH 2430情況下轉(zhuǎn)換到570nm，因此非常適合綠光LED使用。用于消除檢測(cè)器信號(hào)中環(huán)境光效應(yīng)的一個(gè)常用方法是在有LED和沒(méi)有LED情況下做兩次測(cè)量，然后取兩個(gè)信號(hào)的差值。像TI AFE 4403這樣的芯片組還能出于這個(gè)目的發(fā)出合適的暗信號(hào)。

總結(jié)

隨著量化自我運(yùn)動(dòng)的持續(xù)發(fā)展，用于醫(yī)療應(yīng)用的光學(xué)傳感器開(kāi)始滲透進(jìn)消費(fèi)電子領(lǐng)域，特別是健身手環(huán)、智能手表和智能手機(jī)。這得歸功于具有優(yōu)秀頻譜純度的高效率LED。用于測(cè)量脈率和血氧飽和度的集成化光學(xué)傳感器代表了這個(gè)持續(xù)增長(zhǎng)市場(chǎng)中技術(shù)的發(fā)展。