可穿戴腕部设备中心率监测器的光机械集成指南

将发光和光传感元件光机械集成到生物传感手腕可穿戴设备中是可穿戴设计过程中的基本步骤。通过选择最小化串扰和最大化信噪比的组件和几何形状，信号质量会受到很大影响。本应用笔记讨论了为获得最佳性能而需要考虑的光学和机械方面。光学部分侧重于光与皮肤和血液的相互作用以及LED和光电探测器的选择。机械部分提供了增加光学元件和皮肤之间耦合的建议。

介绍

基于手腕的可穿戴设备在想要在健身、日常活动和睡眠期间跟踪其生理参数的客户中越来越受欢迎。这些生理参数可以通过使用光学传感器检测心率信号来无创获得。这项技术已经在医疗领域得到证实，现在可以转移到可穿戴手腕应用中。

操作理论

光电容积脉搏波（PPG）是光学传感器测量心率的原理。随着心脏泵血，动脉中运输的血液量会发生变化。当心脏排出血液时，更多的血液流经动脉（收缩期），而当心脏抽血时（舒张期）流的血液更少。当收缩期和舒张期心跳之间的血容量变化时，它会导致动脉层的光吸收系数发生变化。通过光学照射组织并测量透射光，可以确定由于血容量变化引起的吸收变化，并且可以恢复心率搏动信号。

在身体的某些区域（例如手腕），透射式心率测量在逻辑上是困难的，因此使用反射测量。反射式心率监测器由排列在同一平面上的光源和检测器组成（图 1）。发出的光穿透皮肤、组织和血管，被吸收、散射或反射。发射光的一小部分最终到达光电探测器。随着动脉中的血液量随着每次心跳而变化，吸收的光的比例以及随后检测器信号的强度也会发生变化。

图1.反射光脉冲测量的原理。

光与皮肤的相互作用

皮肤由表面的三个主要层组成：无血表皮层（100μm厚），血管化真皮层（1mm至2mm厚）和皮下脂肪组织（1mm至10mm厚，取决于身体部位）。通常，这些层的光学特性由吸收（μa）、散射μs系数和各向异性因子（g）表征。

吸收系数表征在组织中行进的光子每单位路径长度的平均吸收事件数。可见光谱范围内的主要吸收剂是黑色素，黑色素是由氧合血红蛋白（Hb）、脱氧血红蛋白（HbO）组成的血液2），和脂质。在红外光谱范围内，水的吸收主导着皮肤真皮的吸收特性。

图2是人体皮肤的平面七层光学模型。此模型中包含的层如下：

角质层

两层活表皮。

第一层包含状真皮和上血网真皮

第二层包含网状真皮和下血网真皮

皮下脂肪组织

图2.七层皮肤模型。第一层也是最外层是角质层，最内层是皮下脂肪组织或脂肪层。

表1显示了层的厚度以及血液、水和黑色素含量的典型范围，以及层的折射率。

层		厚度	体积分数			折射率
		吨（微米）	θ(血)	θ(水)	θ梅尔	n
1	角质层	20	0	0.05	0	1.40
2	表皮	80	0	0.2	0.01 – 0.10	1.40
3	状真皮	150	0.0024	0.5	0	1.39
4	高级血网真皮	150	0.0060	0.6	0	1.39
5	网状真皮	1000	0.0024	0.7	0	1.41
6	下血网真皮	600	0.0120	0.7	0	1.41
7	皮下脂肪	8000	0.0012	0.7	0	1.44

心率搏动信号来源于躺在下血网真皮层的动脉床，这是表1中七层组织模型中的第六层。该层的吸收光谱可以使用组织成分的吸收光谱及其相应的体积分数使用以下公式计算：

µa (λ) = (Sµa,Hb(λ) + (1−S)µa,HbO2(λ))θblood + µa,mel(λ)θmel+ µa,water(λ)θwater + µa,lip(λ)θlip

其中µa,mel, θmel, µa,water, θwater, µa,lip, θlip 分别是黑色素、水和脂质的吸收系数和体积分数。µa，Hb和μa，HbO2是氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收系数，θ血是血液的体积分数。S是血氧饱和系数，通常在健康个体中约为95%。

使用公式1和组织成分的测量吸收光谱[1]计算下血网真皮中的吸收系数作为波长的函数。图 3 绘制了结果。

在图3中，峰值吸收系数对应于540nm和570nm附近的波长。在这些波长下，由于血容量变化引起的吸收变化最大，光电二极管测量最强的脉动信号。

图3.下血网真皮层中的吸收系数作为波长的函数。

组件选择

LED 波长和效率

为了获取最佳的PPG信号（即最大的交流心率信号），LED照明波长应尽可能接近血液HbO的吸收峰2在大约540nm和570nm处（图3）。然而，由于LED发光效率在560nm左右的已知“绿色间隙”范围，市售LED在这两个所需波长下非常暗淡，因此对于需要高信噪比（SNR）的实际应用不是很有用。因此，发射约530nm的绿色LED用于市场上大多数商用PPG传感器。

Maxim Integrated探索了绿色吸收峰两侧的照明波长，广泛使用的530nm真绿色LED和590nm的黄色LED。虽然这两种波长都可从多家 LED 供应商处获得大发光效率，但我们发现欧司朗 PointLED®[2]产品线为制造Maxim腕部PPG传感器可穿戴原型提供最合适的外形。®

光电二极管

光电二极管是可穿戴心率监测器中最关键的组件选择之一，因为它是系统接收路径的第一级。市场上有许多光电二极管可供选择，因此选择在关键工作波长或范围内具有高响应度的光电二极管非常重要。

响应度是每个光输入的电输出的量度，通常以每瓦入射辐射功率 （A/W） 产生的电流表示。高响应度设备可检测腕组织内散射返回的小心率信号。Si PIN光电二极管在可见光/NIR波长范围内具有最大的响应度，可从许多制造商处获得。Vishay 和欧司朗 Si PIN 光电二极管外形小巧，特别适用于生物传感手腕可穿戴设备®[3,4].

光机械设计注意事项

概述

设计一个好的光学PPG解决方案非常复杂，而且经常被低估。 光学元件的成功集成使传感器接收的信号和信噪比参数最大化。通过最大化深入皮肤以检测PPG信号的信号，同时最大限度地减少来自PPG信号以外的源的传感器信号的串扰，来增加后者。

图4显示了典型的光机集成设计。

图4.典型的光机械设计。

LED和光电二极管封装在透明材料中，以提供防潮层，并在光学元件和手腕之间连接。LED和光电二极管之间的屏障提供光学隔离，以确保光电二极管仅检测到穿过皮肤组织的光。整个组件从腕带底部突出，以确保与皮肤紧密接触。

防水/密封组件

与任何手腕可穿戴设计一样，客户需要某种密封剂进行光学设计。密封胶提供防水性能并增加传感器接收的信号。选择折射率接近人体皮肤折射率（约1.4）的密封胶，以尽量减少导致透射损失的菲涅耳反射。此外，提供一些“给予”的密封剂可以增加与皮肤的接触面积和压力。有机硅是常用的密封胶。表2列出了基于封装材料及其特性的良好候选有机硅。

封装比较表
制造者	产品名称	颜色	粘度 （cP）	折射率	透射器（3.2毫米厚）	硬度	评论
道康宁	西尔加德 184 有机硅弹性体	无色	3,500	1.4118 在 589nm 时 1.4225 在 632.8nm 处	97nm 时为 532% 96nm 时为 880%	硬度计邵氏 43	高透射率，柔性弹性体
道康宁	EI-1184 光学封装胶	清楚	5,300	1.42 在 632.8nm	93nm 时为 380% 94nm 时为 450% 94nm 时为 760%	硬度计邵氏 A 61	固化为柔性弹性体，加热可缩短固化时间
道康宁	MS-1002 可塑硅胶	光学透明	26,250	1.41 在 632.8nm	89nm 时为 380% 91nm 时为 450% 94nm 时为 760%	硬度计邵氏 A 72	可成型性允许更复杂的设计
道康宁	MS-1003 可塑硅胶	光学透明	42,300	1.41 在 632.8nm	91nm 时为 380% 92nm 时为 450% 93nm 时为 760%	硬度计邵氏 A 51	可成型性允许更复杂的设计
道康宁	MS-4002 可塑硅胶	光学透明	25,000	1.42 在 632.8nm	89nm 时为 380% 92nm 时为 450% 93nm 时为 760%	硬度计邵氏 A 84	可成型性允许更复杂的设计
道康宁	IMS-4007 模塑硅胶	光学透明	10,500	1.41 在 632.8nm	91nm 时为 380% 93nm 时为 450% 94nm 时为 760%	硬度计邵氏 A 70	可成型性允许更复杂的设计

或者，透明盖可以在光学元件和皮肤之间提供防潮层和界面。为透明盖选择的材料在用于最大化发射到皮肤中的光和从皮肤返回的信号的波长中应具有高透射率（>90%）。为了尽量减少传输损耗，透明盖应尽可能薄，同时仍提供坚固性以承受正常磨损。此外，透明盖应具有接近人体皮肤的折射率（~1.4），以最大程度地减少菲涅耳反射引起的透射损失。

由于机械公差，光学元件和透明盖底部之间需要有气隙。然而，引入气隙允许光线从盖玻片底部反射并击中光电探测器。这种不需要的光线没有穿过皮肤并降低心率监测器的性能。随着气隙的增加，串扰增加。因此，气隙应保持在最小。此外，气隙的增加会增加信号到达传感器所需的路径长度，从而减少传感器接收的总信号。这是传感器/LED之间气隙最小化的另一个原因。我们建议不要超过 0.8 毫米的气隙，以确保可接受的性能。

我们发现康宁大猩猩玻璃符合这两个标准。康宁大猩猩玻璃的折射率为1.5，典型工作波长（532nm和880nm）之间的透射率超过91%，玻璃提供了厚度薄至200μm的结构完好的盖板。其他潜在的候选材料包括丙烯酸树脂和聚碳酸酯。®®

串扰抑制特性：光栅

串扰是光电二极管上未穿过任何皮肤层的信号入射。高水平的串扰淹没了脉动的心率信号，使可穿戴监护仪无法有效测量PPG。因此，LED发射和光电探测器之间的串扰应最小化，以获得最佳性能。使用物理吸收光栅来保持低水平的串扰。图 4 显示了一个示例屏障。

台面：增加与皮肤的接触

凸起台面是一种常用的技术，通过确保设备和皮肤之间的正确耦合来帮助减轻运动伪影。图 4 显示了台面概念，可确保心率检测所需的适当皮肤接触。

LED 和传感器之间的间距

构建反射式心率监测器的主要设计考虑因素之一是确定LED和光电二极管之间的最佳间隔距离。应选择此距离，以便可以检测到具有最大和最小脉动分量的PPG信号。这些脉动成分不仅取决于照明组织中的动脉血量，还取决于外周血管床中的收缩期血脉强度。

有两种技术可以提高PPG信号的质量。一种技术是使用大的LED驱动电流，通过更高的光强度增加入射光的有效穿透深度。对于给定的LED-光电二极管分离，使用更高水平的入射光可以照亮更大的脉动血管床。因此，反射体积描记图包含更大的脉动信号分量。然而，在实践中，LED驱动电流被制造商限制在规定的最大功率耗散。

另一种方法是将光电二极管放置在靠近LED的位置。但是，如果光电二极管离LED太近，则光电二极管会被皮肤中无血角质层和表皮层的入射光子多次散射获得的大型非脉冲分量饱和。

对于恒定的LED强度，随着LED和光电二极管之间的径向距离的增加，光电二极管检测到的总光大致呈指数级减少。换句话说，LED-光电二极管分离对绿色和黄色体积描记图反射脉冲幅值的影响随着分离的增加而降低。因此，选择间隔距离有其权衡。通过将光电探测器（PD）放置在离LED更远的地方，可以实现具有较大脉动信号分量的体积描记图，但是由于光程长度增加，需要更高的LED驱动电流来克服吸收。

LED-光电二极管分离的模拟比较

为了评估LED-光电二极管分离的影响，PPG测量有两个关键品质因数：收集效率（CE）和灌注指数（PI）。

CE是给定LED输出的光电二极管功率回流的分数。入射到光电二极管上的光信号被转换为电流，由一个大的恒定直流和一个小的可变交流分量组成。直流分量不包含心率信息，而交流分量对应于搏动动脉血[5]（图5）。

PI（定义为AC与DC的比率）是外周组织中脉动血流与非脉动静态血流的比率。PI表示传感器位置的脉冲强度。PI 越高，性能越好。灌注指数取决于通过下血网真皮的路径长度（l）和吸收系数（Δμ）的变化，它们与波长有关，如下图所示：

PI=交流/直流= lΔμ

灌注指数因皮肤类型、运动伪影、环境光、健康水平和体内脂肪含量而异。在基于手腕的应用中，PI 值的范围从非常弱的脉冲的 0.02% 到极强脉冲的 2%。

由于良好的PPG信号是总功率和PI之间的权衡，因此在确定最佳LED光电二极管间距时要检查的品质因数是CE和PI（CE×PI）的乘积。该量与交流信号强度成正比，较高的CE×PI值对应于更大的交流信号。

图5.皮肤的光吸收和相应的直流和交流水平。

光线追踪仿真演示了LED-光电二极管分离对PI的影响。该模拟使用蒙特卡罗方法来追踪在复杂、不均匀、随机散射和吸收介质中传播的光线。模拟几何形状由 1mm x 1mm 有效区域探测器组成，距离朗伯发射 LED 1mm 至 10mm。皮肤的七层模型放置在LED和PD上方。 图6显示了仿真设置。

图6.用于确定最佳 LED 光电二极管分离的仿真设置。

仿真确定给定波长和LED光电二极管间距的CE。对仿真结果进行后处理，在下血网真皮层中产生相应的路径长度。知道光程长度（l）和吸收系数（Δμ）的变化，可以使用公式2计算PI。

图 7、图 8 和图 9 给出了 530nm、560nm、574nm 和 590nm 的仿真结果。从图9可以看出，高达3mm LED与光电二极管的分离，574nm产生的PPG信号最高。在3mm分离以上，590nm PPG信号质量优于其他波长。

图7.收集效率与 LED 光电二极管间距的关系。

图8.灌注指数是 LED 光电二极管间距的函数。

图9.收集效率和灌注指数与LED光电二极管间距的乘积。

Maxim提供适用于可穿戴、基于手腕的心率检测应用的IC。MAX86140/MAX86141器件是完整的集成光学数据采集系统，理想用于光学脉搏血氧饱和度和心率检测应用。两者都包括高分辨率光学读数、具有环境光消除功能的信号处理通道以及大电流LED驱动器DAC，以形成完整的光学读出信号链。MAX86140由一个光学读出通道组成，而MAX86141具有两个可同时工作的光学读出通道。MAX86140和MAX86141均具有三个LED驱动器，非常适合多种光学检测应用。

虽然MAX86140/MAX86141器件负责数据采集，但客户必须决定如何将LED和光电探测器集成到其工业设计中。

总结

小型、强大的模拟前端电子设备正在促进将生物传感功能（如心率监测）整合到消费者手腕可穿戴设备中的能力。这些可穿戴传感器的性能在很大程度上取决于仔细的光学元件选择和光机械集成到最终客户的设计中。选择光学元件时要考虑的关键参数是LED的波长和发光效率、波长和光电二极管的响应度。为了确保最高质量的信号，应考虑封装、串扰抑制屏障以及仔细选择LED-光电二极管分离。

审核编辑：郭婷