晶能光电PPG传感器在智能手表的应用

近期，一则微博消息引发了热议。北京一名长期熬夜加班的男子，佩戴华为智能手表时被监测出心脏早搏风险，在301医院的主动致电建议下，及时前往医院作进一步的检查，并确诊心脏早搏。

而其实早在2015 年，苹果手表用“心电监测”功能挽救了一位心脏病患者的生命， 让人们看到了智能穿戴在健康监测上的优势。当今，不少年轻人面临着高压工作环境，过度劳累、长期熬夜、暴饮暴食等不良工作生活方式给年轻人的身心造成了极大负担，增加了患心脑血管疾病风险。心脑血管疾病已然成为年轻人健康的一大威胁。而越来越多的科技企业将心脑血管疾病监测预防等功能加入其产品中，智能手表无疑成为了时下最为热门的品类。那么，曾一度被称是“智商税”的智能手表是如何关键时刻救命的呢？我们先来看看，智能手表实现心率和血氧监测的底层原理。

心率监测

心率的监测原理非常简单：通过将绿光照射在手腕上的血管，在心脏跳动时，血液流量增多，绿光的吸收量会随之变大，处于心脏跳动的间隙时血流会减少，吸收的绿光也会随之降低。这种通过光学检测心率的技术称为「光电容积描记法(PPG)」，可精细化识别心律失常风险，对用户进行疑似早搏和疑似房颤的风险筛查，从而达到守护健康的效果。

为什么选择绿光呢?经过研究表明，绿色对于红色来说是吸收率最大的颜色，发射绿光更容易被血液吸收，反射回去的数值也会更加准确。而且所监测的部位除了血液和血管，还有其他组织，这会带来一定的信号“噪声”，影响监测的准确性，而绿光的抗噪能力最强。我们经常看到运动手环背后闪烁的“绿光”，就是绿光LED。

而 PPG 法不光可以获取到心率，还能获取其他心脏方面有价值的信息，比如：心率变异性(HRV)，也就是每一次心跳之间时间间隔的微小差异(图中R-R interval的变化)，临床上通过对HRV的分析能够反映心脏自主神经系统的活动性、均衡性及相关的病理状态等，是近年来比较受关注的无创性心理监测指标之一。

（图片来自网络）

血氧

使用 PPG 法还能监测另外一项重要的生命体征，就是血氧饱和度(SaO2)，即血液中的氧浓度。这个数据能直接表示出用户是否存在缺氧症状。一般来说在平原地区正常情况下血氧饱和度为 100%，低于 90% 说明存在一定缺氧症状，而低于 80% 说明用户有严重缺氧。

血氧监测一般分为两种：透射式血氧传感器和反射式血氧传感器。消费类智能穿戴设备，比如智能手环及智能手表，普遍采用反射式光电检测方案。指夹式血氧仪则使用的是透射式。

反射式基本原理就是：通过芯片将红光和红外光射向腕部，接收反射光线后，通过发射与接收的光强差来计算出血氧度。从生物技术的角度看：氧气饱和的血红蛋白(HbO2)可以吸收更多的红外线,而不含氧的血红蛋白(Hb)可以吸收更多的红光。通过这一特性我们可以通过光线的反射来判断体内血氧的变化。

相比而言透射式更准确一些，医院的血氧监测仪基本上都是指夹式的，这种器械的优势主要是测量部位非常合理-----针对手指。要知道手指的血管非常的丰富，非常便于测量。但是，随着智能手环和手表硬件的更新换代，硬件的差距正在逐步缩小，到目前来说，智能手表、手环的测量精度已经基本够正常人使用了。

（图片来自网络）

PPG传感器

目前市场上智能手环、手表大多都采用PPG技术，内置光学心率血氧监测器，采用PPG技术的明显特征是传感器部位配备了绿色LED灯，其作用过程可简化为光--> 电 --> 数字信号。

不过，这种测量方法也存在一些缺点：

功耗高。智能穿戴手表的PPG传感器功耗高问题主要来自其中的绿光,监测心率的绿光接近24H/天工作频率,而绿光为GaN材料,自身电压偏高，导致整机器件功耗大,待机时间短。因此，如何降低绿光LED芯片的电压成为光发射器的关键技术问题。

整体性能需提升。穿戴智能手表上的光学PPG传感器存在整机性能不够问题主要来自产品集成的光学传感器的数量少，发射的光功率不够高以及接收的光电转换效率(表征为感光电流)不够高，在用户佩戴过程中会存在滑动时，导致随着佩戴位置变化出现照射进皮肤的光源强度降低从而出来的采集到的信号偏低。

针对上述缺点，基于对LED光源的深刻理解，晶能光电运用独特的硅衬底绿光LED芯片技术，通过优化PPG光反射器的封测结构和设计，降低芯片侧壁、银胶、镀层等大量吸光造成的出光损耗，开发出绿光(520nm)LED、红光(660nm)LED和红外(940nm)LED三合一集成的光学PPG传感器，相较于其他传感器件产品，发射端信号强度更高,电压更低，接收端响应度更高，进而表现出现更高的信噪比和更低功耗。

目前，晶能光电PPG传感器已应用于国内主流智能手表、手环设备厂商，用“芯”守护心健康。未来，PPG技术还可以监测动脉硬化、关注孩子视力健康、应用于虚拟现实等等，晶能光电也将时刻关注市场和客户需求，通过不断的技术创新和大规模制造能力，为人类健康贡献出更多的“芯”功臣。

审核编辑：汤梓红