使用光学生物传感器创建

光学传感器聚焦我们的福祉，阐明可以指导我们行为的可操作见解。“光学传感很重要，因为它用途广泛。我们将一些光线照射到我们想要分析的区域，光将与分析物相互作用，我们观察光线如何变化，“Maxim的Ian Chen解释道。“这是非常非侵入性的，也是非破坏性的。

Chen是该公司工业和医疗保健业务部门的执行董事，他解释说，在光学传感中，我们正在测量光路是如何变化的，检查光强度、荧光的存在、干涉图案和光的不同行为等因素。传统的家用烟雾探测器是常见传感系统的一个例子。这些探测器测量在光学室中遮挡光线的微粒，假设任何阻挡光线的东西都是烟雾。但它们容易出现误报。另一方面，智能光学感应烟雾探测器将利用两种颜色的光，因为光因颜色而异。当烟雾被露天捕获时，使用光学传感可提供更快的响应，并且由于探测器可以密封，因此这种方法也非常坚固。

在医疗保健应用中，光学心率监测涉及将光（通常是绿色LED）照射到人体组织中。然后检查穿过或返回的光以确定该组织内发生了什么。当心脏搏动时，进入动脉的血液量会膨胀和收缩，从而改变吸收或反射的光量。当接收到光时，产生的信号与人类心跳成比例且同步。然而，挑战在于皮肤不均匀;它的妆容因人而异。皮肤由多层组织组成，每层组织都有自己的反射和透射指数。因此，光学设计软件将组织的CAD模型与收集的光学心率监测器数据集成在一起，以揭示见解。“传感是关于我们如何从所有其他影响接收信号的东西中提炼出我们想要的信号。因此，这不仅仅是感知信号。我们需要了解生物学，“陈说。

这不仅仅是关于心跳

皮肤光学特性的差异将影响检测到的光电容积描记图（PPG）信号的大小和质量。PPG是一种光学获得的体积描记图，它提供体积测量，通常用于可穿戴设备中以监测生命体征。陈指出，设计人员还必须考虑诸如可穿戴设备的运动将如何影响接收信号，气隙如何降低接收信号的强度，覆盖信号的玻璃如何影响信号等因素。

脉搏中的信息比心跳多得多。如果你看一下信号的形状，每个特征实际上都可以告诉我们额外的信息。使用光来询问毛细血管是多维现象的一维表示。通过机器学习，我们可以查看脉搏的形状，峰值的高度，峰值的潜伏期 - 所有这些信息都可以应用于了解有关患者的其他事情，“他向全体观众解释道。

虽然皮肤的构成显然不在设计师的控制范围之内，但可以通过系统设计来控制的是丰富指数（PI）。PI是PPG信号的交流部分与其直流部分之间的比率。Chen解释说，该设备的机械设计，就像可穿戴设备一样，可以以某种方式最大化PI。例如，多个LED或多个光电探测器可以使可穿戴设备不易受到偶然运动的影响。与手表格式不同，贴片或入耳式设计也可以较少受到运动的影响。将机器学习应用于心率或PPG信号提供了一种了解和调整系统中噪声的方法。

使用多个光学传感器也是有益的。在评估光学传感器时，Chen讨论了IC应该解决的一些考虑因素。在发射路径上，LED驱动器噪声和线性度是设计关注的问题之一，因为LED电源信号中的任何噪声都会影响LED信号强度。在接收路径上，环境光消除、宽信号范围和高信噪比非常重要。他说，Maxim的环境光消除功能值得注意，因为它采用了两步法：

模拟粗略消除，在LED关闭时捕获环境光水平，然后在对PPG信号进行采样之前从光电探测器输出中减去。为避免转换器饱和，在采样前去除粗大的直流信号。

数字精细消除，采样时 LED 熄灭，消除残余的 DC、AC 和 1/F 噪声

Chen指出，光学传感不断发展，每一代产品的功耗都有所改善。反过来，更低的功耗支持传感器融合等功能。“当我们研究传感器融合时，有几个想法可以提出。可穿戴传感器可用于监测，比如心跳或血压，或者它们可以用来为用户提供一组连续的信息，“陈说，并指出这两种用例都是有效的，但功耗曲线非常不同。

审核编辑：郭婷