用于可穿戴健身設備的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用軟件來(lái)跟蹤他們的體育健身運動(dòng)。光學(xué)傳感器適合用于測量脈率和血氧飽和度。這種技術(shù)在醫療領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟，如今又可以移植到消費類(lèi)應用，這得歸功于現代的LED技術(shù)。

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

雖然計步器使用的是加速度傳感器，但醫療領(lǐng)域中常用于脈搏和血氧測量的光學(xué)方法正在進(jìn)入消費市場(chǎng)。在醫院環(huán)境中，傳感器大多數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)傳感器在手腕上測量脈率的手環(huán)產(chǎn)品——與運動(dòng)員穿戴的胸帶相比有了顯著(zhù)改進(jìn)，沒(méi)有人愿意整天把胸帶戴在身上。智能手機也可以用來(lái)在手指上測量脈率。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，就可以測量血液中的氧飽和度。這個(gè)功能非常實(shí)用，比如對于在高海拔地區工作的人員，如登山者、高空滑翔人員和滑翔機引導員，以及得了心臟疾病或肺病的人等。

光學(xué)測量方法

傳感器測量脈率和血氧飽和度的原理被稱(chēng)為光學(xué)體積描記法(PPG)，換句話(huà)說(shuō)，光學(xué)測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有規律的變化。心臟有節奏地按一定周期泵血(心臟收縮)和抽血(心臟舒張)。這意味著(zhù)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)測量身體某個(gè)特定部位的血流量變化，就可以從被測信號的周期性得到脈率。

血流量的測量依據的是血液中的血紅蛋白吸收光線(xiàn)的能力(圖1)。傳感器由彼此緊鄰放置的光源和檢測器組成，測量時(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。檢測器記錄的反射光強度將根據流經(jīng)動(dòng)脈的血流量變化而變化(圖2)。用于這種測量的合適波長(cháng)取決于在人體的哪部分進(jìn)行測量。綠光可以在手腕處提供最佳結果，而紅光和紅外光一般用于手指頭處的測量。

圖1：反射光脈搏測量原理。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器。因為動(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(xiàn)被吸收的量以及檢測器收到的信號強度也會(huì )隨之發(fā)生改變。綠光可以在手腕處提供最佳結果，而紅光和紅外光一般用于手指測量。

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

如果用紅外光和紅光測量吸收率，就可以確定動(dòng)脈血中的血氧飽和度。這種方法被稱(chēng)為脈搏血氧計，是確定血氧飽和度的唯一非侵入式方法，換句話(huà)說(shuō)，也是唯一不需要采血的一種方法。脈搏血氧計利用了這樣一個(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)運送的。Hb與氧分子結合后會(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(xiàn)吸收性能在與氧分子結合時(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測量方法進(jìn)行確定。

在受輻射媒介中光線(xiàn)吸收物質(zhì)的濃度是光線(xiàn)吸收率的函數。在PPG測量中，有兩種不同波長(cháng)的光用于獲得可靠的cHbO2和cHb指示。波長(cháng)為660nm(nm)的紅光和波長(cháng)為940nm的紅外光非常適合這種應用場(chǎng)合，因為兩種血紅蛋白分子(Hb和HbO2)對這兩種光線(xiàn)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分量的吸收情況(圖2)。氧飽和度(SpO2)可以表示為相關(guān)波長(cháng)條件下最小與最大檢測器信號(Imin和Imax)之比值的函數。

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效率，因為薄膜LED幾乎是從頂部發(fā)射全部的光線(xiàn)，因此基本上所有光線(xiàn)都可以得到充分利用。設計也必須確保波長(cháng)在整個(gè)測量中保持穩定，雖然在測量過(guò)程中芯片會(huì )有溫升。除了LED良好的熱穩定性外，短脈沖也是保持波長(cháng)穩定的一種好方法。小于0.3ms的脈沖長(cháng)度、重復率約2ms的脈沖是比較理想的。波長(cháng)的選擇取決于想做的測量。對于戴在手腕上的傳感器來(lái)說(shuō)，最好使用波長(cháng)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(xiàn)。LED有多種版本，因此可以適合不同的設計和應用。脈搏傳感器用一種波長(cháng)就足夠了，而測量血氧飽和度通常要交替使用紅外和紅外光。

對于檢測器而言，關(guān)鍵要求包括高線(xiàn)性度、卓越的靈敏度和良好的信噪比。在測量血氧值時(shí)線(xiàn)性度尤其重要，因為必須非常精確地測量絕對光電流值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(xiàn)濾波器的SFH 2430。光電二極管還提供快速開(kāi)關(guān)時(shí)間，因此可以很好地對應所要求的短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(zhuān)門(mén)為可穿戴設備和智能手機中的脈搏和血氧飽和度測量設計的。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量和手指頭上的血氧飽和度測量。集成的光線(xiàn)屏障可以很好地防止光線(xiàn)從LED串擾到光電二極管。根據具體的應用，3個(gè)LED可以單獨工作，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)現傳感器接觸或離開(kāi)皮膚時(shí)自動(dòng)開(kāi)始或停止測量。用于醫療應用中PPG和脈搏血氧測量的芯片組市場(chǎng)上已經(jīng)有現成的，可用于控制LED和數字化檢測器信號。TI公司的TI AFE 4403就是一個(gè)具有優(yōu)秀數字化分辨率(22位)的好例子。

傳感器設計

與所有傳感器一樣，信號質(zhì)量是設計脈率和血氧飽和度測量用光學(xué)傳感器時(shí)最重要的考慮因素之一。完整的檢測器信號由一個(gè)非常大的恒定(直流)分量和一個(gè)小的可變(交流)分量——對應脈沖式動(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(cháng)為530nm、電流為8mA的LED進(jìn)行測量，將產(chǎn)生約0.00035的交流/直流比。而對于一個(gè)深色皮膚的人來(lái)說(shuō)，這個(gè)值就比較低，但在手指頭上測量又可能高出約10倍。作為整個(gè)信號的一小部分，這種特別小的交流信號對數字化過(guò)程來(lái)說(shuō)是一個(gè)艱巨的挑戰——特別是測量血氧值時(shí)。在這種情況下，必須對整個(gè)信號進(jìn)行數字化處理，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(zhù)總體信號要求至少16位的分辨率。如果只需測量心率，那么只有信號的周期性變化才重要，信號絕對值則可以忽略。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/直流轉換器。光電流的最小和最大值要取得高的分辨率，緊靠著(zhù)皮膚測量也很重要。典型的采樣率每通道在25Hz和500Hz之間，LED脈沖長(cháng)度則在0.5ms至5ms范圍內。

另外一個(gè)因素是環(huán)境光線(xiàn)。即使傳感器正確放置在皮膚上，環(huán)境光線(xiàn)也可能到達接收器，因為紅外光能夠透進(jìn)皮膚很深，并在內部發(fā)散。環(huán)境光將對信噪比產(chǎn)生負面影響，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)檢測器上專(zhuān)門(mén)帶的環(huán)境光濾波器。這種濾波器將檢測器的最大靈敏度從紅外光譜轉換到可見(jiàn)光譜，比如在使用光電二極管SFH 2430情況下轉換到570nm，因此非常適合綠光LED使用。用于消除檢測器信號中環(huán)境光效應的一個(gè)常用方法是在有LED和沒(méi)有LED情況下做兩次測量，然后取兩個(gè)信號的差值。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。

總結

隨著(zhù)量化自我運動(dòng)的持續發(fā)展，用于醫療應用的光學(xué)傳感器開(kāi)始滲透進(jìn)消費電子領(lǐng)域，特別是健身手環(huán)、智能手表和智能手機。這得歸功于具有優(yōu)秀頻譜純度的高效率LED。用于測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)持續增長(cháng)市場(chǎng)中技術(shù)的發(fā)展。