光学传感是最流行的生物传感技术之一，然而，我们才刚刚开始充分利用它的能力。本文使用光体积描图(PPG)传感器说明光学传感系统如何工作，并讨论可能的扩展在新的医疗保健应用。
什么让生物传感器真正有用?
为了测量病人的心率，一个光学生物传感器将光线照射到病人组织的毛细血管床上，并测量穿过或散射到组织的光线。当动脉血液通过组织中的毛细血管搏动时，它吸收或散射的光量随着每一次脉搏的变化而变化，与病人的心跳同步。通过观察光强的变化，光学生物传感器可以监测心率等生命体征。
虽然从高水平上看，光学传感的原理似乎很简单，但要使生物传感器真正有用，需要考虑很多细节问题。
首先，不同患者的组织各不相同。生物传感器必须确保光线到达它想要询问的深度，并且产生的信号达到足够的强度。为了定量地解决这一挑战，传感器设计师将组织分解为多个层，创建光学模型，每一层都有不同的折射、吸收和散射特性和厚度(图1)．通过模拟模型的不同变化的设计，可以使其更好地适应患者群体之间的变化。
1.这是一个七层人体组织光学建模的例子。
其次，一个光学传感器测量沿整个光路的变化。这不仅包括组织，还包括任何组件包，气隙，罩眼镜，以及光学传感器和皮肤表面之间的光-机械耦合。确保有足够的信号强度往往比识别和消除其他因素的“噪声”更容易，这些因素与影响光路的生物传感信号无关。更严格的设计通常使用一系列的幻影，目标组织的模拟，可以受到真实条件的影响，并调查拐角情况。
传感系统噪声
无论PPG波形是用来进行简单的心率测量，还是被输入分析程序以获得关于患者健康的可操作信息，了解噪声的来源及其对PPG信号的统计影响是很重要的。
在PPG中，系统产生一列光脉冲，当光通过分析物后，光电探测器接收到这些光脉冲。光脉冲的强度及其波长影响光电探测器接收到的光电流。图2(上)显示了四个不同波长的发光二极管所产生的光电流。每组光电流可以描述为一个小的交流信号，这通常被称为PPG信号(图2,底部)，骑在一个更大的偏置或直流信号。
2.光学传感器接收到的信号来自四个不同波长的led，由相同大小的电流驱动(上图)。在底部的图像中，来自顶部部分的信号的偏移量被移除了。
因此，我们可以将PPG系统建模为一个电流转换函数(图3)以LED电流为输入，光电探测器电流为输出。这种系统的信噪比是灌注指数(PI)的函数，其中PI是PPG信号与底层直流信号的幅度之比。
在设计PPG传感器的物理外壳时，最大限度地提高PI是工业设计师的主要考虑因素。因为光与组织中的分析物相互作用，当设计包含更长的光路长度以允许更大的相互作用时，PI效果更好。
3.这是一个PPG信号路径和信噪比。
病人身体上的传感器连接区域也是一个问题。这是因为富含毛细血管的组织将允许光和分析物之间更大的相互作用，从而提高PI。当与组织的折射率不匹配的气隙和/或盖玻璃也会在LED光与被分析物相互作用之前衰减更多时，PI就更糟糕了。
虽然PI在设计PPG传感器的形式因素时很重要，但它只是一个潜在的系统噪声源。任何未补偿的系统行为，如LED驱动电流的非线性，都会将意外的变化耦合到PPG信号中，这是当前设置的函数，而不是监测的生物学。此外，由于人体脉搏频率名义上只有每分钟100次，影响led或数据路径电路的低频电源噪声可能与PPG信号一起出现。在抗混叠措施不充分的情况下，可以将高频噪声混叠到采样结果中。
环境温度会影响发光二极管的发射率，导致发光强度在较高温度下降低。LED光强的变化会同时影响PPG信号和它的基础偏移量。因此，主要使用PI值的生物传感结果，如脉搏血氧测量，不受环境温度的显著影响，只要涉及的led发射率的变化基本上相似。
PPG传感器对环境温度变化的鲁棒性及其非侵入性使其成为人体生物传感系统中最受欢迎的选择。PPG传感器的集成模拟前端集成芯片，包括Maxim的MAX8614x，可以帮助降低PPG的形状因素，并将潜在系统噪声的影响降到最低。它们还可以减轻快速变化的环境光条件可能导致的错误信号;例如，当穿戴者在树林中骑车时，可穿戴设备在阳光下或阴凉处交替进行。
机器学习的机会
在最近的一篇论文中，斯坦福大学的一组研究人员研究了43名成年穿戴者的可穿戴设备的长期传感器数据(PPG和皮肤温度)。这篇论文表明，机器学习算法可以利用传感器信息，在穿戴者发现症状之前就检测出炎症反应，甚至可以区分胰岛素敏感者和抵抗者之间的生理差异。
在某种程度上，通过感知人类脉搏来诊断病人的健康状况是一种非常古老的做法。很长一段时间以来，中医一直通过给病人测脉来进行诊断。到1600年，中国医学文献已列出28种脉象分类。除了脉搏率，文献还记录了从左手腕和右手腕采集的脉搏的差异，在动脉上轻压和重压时采集的脉搏，活力，以及脉搏周期内峰值的位置。
最近，研究人员试图将传统做法和脉冲分类与现代设备的测量结果相协调，但在将传统分类映射到PPG或ECG波形的不同特征方面仍存在很大的差距。当然，PPG和ECG只是人类脉搏的多维现象的一维投影。有理由认为，我们仍然需要更多的感知模式来充分理解这些从数百年的观察中积累起来的经验结果的有效性。
现代医学也普遍使用PPG。心率和血氧饱和度是临床中每个病人的标准生命体征。对学术论文的粗略调查显示，许多研究使用PPG来估计动脉平均压和红细胞压积，而心率变异性已被用于测量患者的压力水平。PPG和光学方法不仅用于检查组织中的毛细血管床，而且还用于检查动脉。其他光学方法也被采用，一些使用相干光源，另一些涉及植入物，来监测术后患者。
最好的传感器是隐形的
归根到底，传感器只有在提供可操作的信息时才对我们有用。想想天气预报。当报告预测的温度为78华氏度(非美国读者为23摄氏度)和80%的相对湿度时，我们马上就明白了自己的着装选择。同样，我们使用热指数和风寒因素等术语来传达环境与消费者之间复杂的相互作用，并以消费者已被教育理解的方式。
对大多数消费者来说，天气预报完全不依赖于一系列传感器，包括温度、压力、风速和相对湿度，以及非常复杂的模型和算法。重要的是，我们已经开发了一套词汇和速记法来传达一套消费者可以理解并据此采取行动的复杂信息。
真正有用的生物传感器必须是一个更大的信息系统的一部分，为消费者提供可操作的信息，以改善他们的健康。但是，也许更好地理解我们可以使用非侵入性、小型化和廉价的传感器获得的信息是一个很好的开始。
Ian Chen，工业和医疗保健事业部高级传感器执行董事马克西姆集成．
引用:
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