光学传感器是最常见的生物传感器类型。本应用笔记概述了反射计在脉冲体积描记仪(PPG)波形中的应用,并描述了物理和生理原理的工作原理。
介绍
光学方法是植物和动物生物传感的最常见方法之一。例如,远程 卫星设备通常使用反射质量来确定 植被和脉搏血氧仪使用脉搏体积描记仪 (PPG) 传感器收集生命体征数据 在医生就诊期间。事实上,正如这些应用示例所示,光学传感是相当通用的。光 无论是相干的还是非相干的,在物质通过时与物质相互作用,并被吸收、反射, 分散、分散或以其他方式改变。科学家可以检查光脉冲的大小和形状, 它们的光谱含量和偏振,以得出有关介质中分析物的信息,即光 脉搏已经遍历。
监测实时血流
体积描记图是一种体积测量。当血液流动时,心血管脉搏波从心脏传播, 在体内繁殖,周期性地扩张皮下组织中的动脉和小动脉。PPG 使用光来询问组织片,通过组织接收到的光对应于 血容量的变化。
根据光源和光电探测器的相对位置,有两种配置 PPG:透射吸收和反射。在透射式配置中,光源和传感器打开 组织正对侧。在反射安排中,它们可以在同一侧。反射 配置利用了身体组织的光散射效应。
在今天的诊所和医院,PPG通常使用指夹进行。但是,只要有容易 进入富含血管的组织,可以在许多其他身体部位获得有效的PPG信号。 使用反射式配置时尤其如此。前额、外耳道、周围区域 二头肌或小腿肌肉,甚至手腕周围的区域都是这种身体位置的一些例子。
通过组织进行光学测量
可见光到近红外(NIR)光可以穿透身体组织的深度。由于光被血液吸收, 黑色素,脂肪和水,渗透有限。在该范围内,光主要是散射的,因此, 迅速扩散。光组织相互作用取决于不同的组织成分和波长 使用的光。鉴于这些变化,PPG信号可以传达许多信息。
反向散射光通过脉动动脉血容量进行调节,同时从其他组织吸收 组件保持不变。从简化的角度来看,这些导致光电探测器中的交流组件 输出与主体的体积描记信号同步且成比例,直流信号 光源和光路中组织持续吸收的函数。有关 PPG光电探测器接收的反向散射光示例,数字化光电探测器输出使用 三种不同的光源:红色、绿色和红外线。信号经过处理以消除低频 噪音。
图1.PPG的光电探测器接收到的反向散射光。
身体吸收不同波长的光的程度不同。例如,许多PPG设备包括一个或 更多绿色 LED。绿光很容易被我们的身体吸收,因此专注于绿光可以减轻任何 反射环境光的污染。但由于吸收力强,渗透深度 也有限,因此仅适用于血液灌注充足的地区。
血红蛋白也强烈吸收绿光,因此这种光很难深入渗透到组织中。医疗 用于脉搏血氧饱和度的PPG使用近红外光源。红光深入人体, 提供丰富的生理信号源。
缓解PPG信号伪影
PPG信号通常不仅包含通过组织的反向散射光,还包含由 环境光和与组织的连接不良。各种因素会影响PPG信号的质量, 包括受试者的皮肤结构、皮肤色素,甚至皮肤温度。减轻某些影响 这些伪像在节省功耗的同时,先进的PPG集成电路(如MAX30112)包括: 专门的信号处理和采样方案。
对于可穿戴设备设计人员来说,最大的挑战之一是解决环境光的污染问题。 环境光不断变化,室内灯通常具有跟踪电力线的闪烁 频率(即 50Hz 或 60Hz,取决于位置),可能会掩盖 AC 分量中携带的信息 PPG 信号。
间歇性地与组织和光电探测器接触不良会导致运动伪影。这样的文物,在 转,可能会使测量一些缓慢的生理变化变得困难,特别是在可穿戴设备中 受试者的运动不能受到限制。
PPG的另一个问题是可检测的信号幅度受皮肤黑色素浓度的影响 或皮肤色素。根据设计,黑色素会衰减入射光波长。它存在于表皮层中, 在没有血液供应的地方,因此PPG装置的目标始终是表皮下。克服微弱信号 由于深色色素沉着,设计师可以选择使用更强的光源,或者选择不同的光频, 像NIR,黑色素的吸收性较低。
PPG的见解是心血管健康的窗口
在消除伪影并通过信号处理放大PPG波形后,高级算法 可用于提取和解释其特征。典型PPG波形见图2。峰峰区间, 或两个连续收缩期峰值之间的距离,代表一个完整的心脏周期。
图2.典型的PPG波形。
收缩期振幅(x)表示动脉血流引起的血容量变化,并且与动脉血流有关 每搏输出量,这可能提示血管收缩或血管舒张;它还可以反映冷敏感性, 对麻醉剂的反应,失血,体温过低等。脉宽和脉面积也与全身相关 血管阻力,可以反映患者的药物相互作用或血液粘度。
主动脉僵硬的指标是隆起指数,即舒张期峰值与舒张期峰值之间的比率 收缩压峰值(Y.X)。收缩期和舒张期峰值之间的时间延迟随着受试者年龄的增长而缩短,并且, 给定受试者的身高,提供大动脉僵硬的指标。这两个指标都可以提供信息 受试者的心血管健康。
我们还可以比较来自多个波长的光源的PPG信号。例如,我们可以比较光 用红色和红外LED通过同一组织吸收,以确定组织的氧气水平 饱和。脱氧血红蛋白比氧合血红蛋白更能吸收红光, 而氧合血红蛋白可以更好地 吸收红外线。因此,血液氧合与反射的红光和红外光的比例成正比。
PPG在以下测量参数方面取得了成功,或已被提议用于测量参数:
心率和心率变化
呼吸频率
血氧饱和度
身体补水
静脉反流病(静脉曲张)的严重程度
静脉功能
冷敏感性
血压
心输出量
PPG 是心率测量的实用替代方案
PPG易于使用且无创,已被用于测量各种生理条件。随着进步 专用PPG电路,光电容积脉搏波便携,低功耗,实现相对简单。在 比较PPG与心电图(ECG)进行长期心率变异性(HRV)测量的临床研究, PPG已被证明是心电图的实用替代方案。即便如此,请注意,如果 光电探测器无法与组织保持良好的接触(由于运动伪影被误解)。
审核编辑:郭婷
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