將發光和光傳感元件光機械集成到生物傳感手腕可穿戴設備中是可穿戴設計過程中的基本步驟。通過選擇最小化串擾和最大化信噪比的組件和幾何形狀，信號質量會受到很大影響。本應用筆記討論了為獲得最佳性能而需要考慮的光學和機械方面。光學部分側重于光與皮膚和血液的相互作用以及LED和光電探測器的選擇。機械部分提供了增加光學元件和皮膚之間耦合的建議。

介紹

基于手腕的可穿戴設備在想要在健身、日常活動和睡眠期間跟蹤其生理參數的客戶中越來越受歡迎。這些生理參數可以通過使用光學傳感器檢測心率信號來無創獲得。這項技術已經在醫療領域得到證實，現在可以轉移到可穿戴手腕應用中。

操作理論

光電容積脈搏波（PPG）是光學傳感器測量心率的原理。隨著心臟泵血，動脈中運輸的血液量會發生變化。當心臟排出血液時，更多的血液流經動脈（收縮期），而當心臟抽血時（舒張期）流的血液更少。當收縮期和舒張期心跳之間的血容量變化時，它會導致動脈層的光吸收系數發生變化。通過光學照射組織并測量透射光，可以確定由于血容量變化引起的吸收變化，并且可以恢復心率搏動信號。

在身體的某些區域（例如手腕），透射式心率測量在邏輯上是困難的，因此使用反射測量。反射式心率監測器由排列在同一平面上的光源和檢測器組成（圖 1）。發出的光穿透皮膚、組織和血管，被吸收、散射或反射。發射光的一小部分最終到達光電探測器。隨著動脈中的血液量隨著每次心跳而變化，吸收的光的比例以及隨后檢測器信號的強度也會發生變化。

圖1.反射光脈沖測量的原理。

光與皮膚的相互作用

皮膚由表面的三個主要層組成：無血表皮層（100μm厚），血管化真皮層（1mm至2mm厚）和皮下脂肪組織（1mm至10mm厚，取決于身體部位）。通常，這些層的光學特性由吸收（μa）、散射μs系數和各向異性因子（g）表征。

吸收系數表征在組織中行進的光子每單位路徑長度的平均吸收事件數。可見光譜范圍內的主要吸收劑是黑色素，黑色素是由氧合血紅蛋白（Hb）、脫氧血紅蛋白（HbO）組成的血液2），和脂質。在紅外光譜范圍內，水的吸收主導著皮膚真皮的吸收特性。

圖2是人體皮膚的平面七層光學模型。此模型中包含的層如下：

角質層

兩層活表皮。

第一層包含狀真皮和上血網真皮

第二層包含網狀真皮和下血網真皮

皮下脂肪組織

圖2.七層皮膚模型。第一層也是最外層是角質層，最內層是皮下脂肪組織或脂肪層。

表1顯示了層的厚度以及血液、水和黑色素含量的典型范圍，以及層的折射率。

心率搏動信號來源于躺在下血網真皮層的動脈床，這是表1中七層組織模型中的第六層。該層的吸收光譜可以使用組織成分的吸收光譜及其相應的體積分數使用以下公式計算：

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 分別是黑色素、水和脂質的吸收系數和體積分數。μa，Hb和μa，HbO2是氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的吸收系數，θ血是血液的體積分數。S是血氧飽和系數，通常在健康個體中約為95%。

使用公式1和組織成分的測量吸收光譜[1]計算下血網真皮中的吸收系數作為波長的函數。圖 3 繪制了結果。

在圖3中，峰值吸收系數對應于540nm和570nm附近的波長。在這些波長下，由于血容量變化引起的吸收變化最大，光電二極管測量最強的脈動信號。

圖3.下血網真皮層中的吸收系數作為波長的函數。

組件選擇

LED 波長和效率

為了獲取最佳的PPG信號（即最大的交流心率信號），LED照明波長應盡可能接近血液HbO的吸收峰2在大約540nm和570nm處（圖3）。然而，由于LED發光效率在560nm左右的已知“綠色間隙”范圍，市售LED在這兩個所需波長下非常暗淡，因此對于需要高信噪比（SNR）的實際應用不是很有用。因此，發射約530nm的綠色LED用于市場上大多數商用PPG傳感器。

Maxim Integrated探索了綠色吸收峰兩側的照明波長，廣泛使用的530nm真綠色LED和590nm的黃色LED。雖然這兩種波長都可從多家 LED 供應商處獲得大發光效率，但我們發現歐司朗 PointLED?[2]產品線為制造Maxim腕部PPG傳感器可穿戴原型提供最合適的外形。?

光電二極管

光電二極管是可穿戴心率監測器中最關鍵的組件選擇之一，因為它是系統接收路徑的第一級。市場上有許多光電二極管可供選擇，因此選擇在關鍵工作波長或范圍內具有高響應度的光電二極管非常重要。

響應度是每個光輸入的電輸出的量度，通常以每瓦入射輻射功率 （A/W） 產生的電流表示。高響應度設備可檢測腕組織內散射返回的小心率信號。Si PIN光電二極管在可見光/NIR波長范圍內具有最大的響應度，可從許多制造商處獲得。Vishay 和歐司朗 Si PIN 光電二極管外形小巧，特別適用于生物傳感手腕可穿戴設備?[3,4].

光機械設計注意事項

概述

設計一個好的光學PPG解決方案非常復雜，而且經常被低估。 光學元件的成功集成使傳感器接收的信號和信噪比參數最大化。通過最大化深入皮膚以檢測PPG信號的信號，同時最大限度地減少來自PPG信號以外的源的傳感器信號的串擾，來增加后者。

圖4顯示了典型的光機集成設計。

圖4.典型的光機械設計。

LED和光電二極管封裝在透明材料中，以提供防潮層，并在光學元件和手腕之間連接。LED和光電二極管之間的屏障提供光學隔離，以確保光電二極管僅檢測到穿過皮膚組織的光。整個組件從腕帶底部突出，以確保與皮膚緊密接觸。

防水/密封組件

與任何手腕可穿戴設計一樣，客戶需要某種密封劑進行光學設計。密封膠提供防水性能并增加傳感器接收的信號。選擇折射率接近人體皮膚折射率（約1.4）的密封膠，以盡量減少導致透射損失的菲涅耳反射。此外，提供一些“給予”的密封劑可以增加與皮膚的接觸面積和壓力。有機硅是常用的密封膠。表2列出了基于封裝材料及其特性的良好候選有機硅。

或者，透明蓋可以在光學元件和皮膚之間提供防潮層和界面。為透明蓋選擇的材料在用于最大化發射到皮膚中的光和從皮膚返回的信號的波長中應具有高透射率（>90%）。為了盡量減少傳輸損耗，透明蓋應盡可能薄，同時仍提供堅固性以承受正常磨損。此外，透明蓋應具有接近人體皮膚的折射率（~1.4），以最大程度地減少菲涅耳反射引起的透射損失。

由于機械公差，光學元件和透明蓋底部之間需要有氣隙。然而，引入氣隙允許光線從蓋玻片底部反射并擊中光電探測器。這種不需要的光線沒有穿過皮膚并降低心率監測器的性能。隨著氣隙的增加，串擾增加。因此，氣隙應保持在最小。此外，氣隙的增加會增加信號到達傳感器所需的路徑長度，從而減少傳感器接收的總信號。這是傳感器/LED之間氣隙最小化的另一個原因。我們建議不要超過 0.8 毫米的氣隙，以確保可接受的性能。

我們發現康寧大猩猩玻璃符合這兩個標準。康寧大猩猩玻璃的折射率為1.5，典型工作波長（532nm和880nm）之間的透射率超過91%，玻璃提供了厚度薄至200μm的結構完好的蓋板。其他潛在的候選材料包括丙烯酸樹脂和聚碳酸酯。??

串擾抑制特性：光柵

串擾是光電二極管上未穿過任何皮膚層的信號入射。高水平的串擾淹沒了脈動的心率信號，使可穿戴監護儀無法有效測量PPG。因此，LED發射和光電探測器之間的串擾應最小化，以獲得最佳性能。使用物理吸收光柵來保持低水平的串擾。圖 4 顯示了一個示例屏障。

臺面：增加與皮膚的接觸

凸起臺面是一種常用的技術，通過確保設備和皮膚之間的正確耦合來幫助減輕運動偽影。圖 4 顯示了臺面概念，可確保心率檢測所需的適當皮膚接觸。

LED 和傳感器之間的間距

構建反射式心率監測器的主要設計考慮因素之一是確定LED和光電二極管之間的最佳間隔距離。應選擇此距離，以便可以檢測到具有最大和最小脈動分量的PPG信號。這些脈動成分不僅取決于照明組織中的動脈血量，還取決于外周血管床中的收縮期血脈強度。

有兩種技術可以提高PPG信號的質量。一種技術是使用大的LED驅動電流，通過更高的光強度增加入射光的有效穿透深度。對于給定的LED-光電二極管分離，使用更高水平的入射光可以照亮更大的脈動血管床。因此，反射體積描記圖包含更大的脈動信號分量。然而，在實踐中，LED驅動電流被制造商限制在規定的最大功率耗散。

另一種方法是將光電二極管放置在靠近LED的位置。但是，如果光電二極管離LED太近，則光電二極管會被皮膚中無血角質層和表皮層的入射光子多次散射獲得的大型非脈沖分量飽和。

對于恒定的LED強度，隨著LED和光電二極管之間的徑向距離的增加，光電二極管檢測到的總光大致呈指數級減少。換句話說，LED-光電二極管分離對綠色和黃色體積描記圖反射脈沖幅值的影響隨著分離的增加而降低。因此，選擇間隔距離有其權衡。通過將光電探測器（PD）放置在離LED更遠的地方，可以實現具有較大脈動信號分量的體積描記圖，但是由于光程長度增加，需要更高的LED驅動電流來克服吸收。

LED-光電二極管分離的模擬比較

為了評估LED-光電二極管分離的影響，PPG測量有兩個關鍵品質因數：收集效率（CE）和灌注指數（PI）。

CE是給定LED輸出的光電二極管功率回流的分數。入射到光電二極管上的光信號被轉換為電流，由一個大的恒定直流和一個小的可變交流分量組成。直流分量不包含心率信息，而交流分量對應于搏動動脈血[5]（圖5）。

PI（定義為AC與DC的比率）是外周組織中脈動血流與非脈動靜態血流的比率。PI表示傳感器位置的脈沖強度。PI 越高，性能越好。灌注指數取決于通過下血網真皮的路徑長度（l）和吸收系數（Δμ）的變化，它們與波長有關，如下圖所示：

PI=交流/直流= lΔμ

灌注指數因皮膚類型、運動偽影、環境光、健康水平和體內脂肪含量而異。在基于手腕的應用中，PI 值的范圍從非常弱的脈沖的 0.02% 到極強脈沖的 2%。

由于良好的PPG信號是總功率和PI之間的權衡，因此在確定最佳LED光電二極管間距時要檢查的品質因數是CE和PI（CE×PI）的乘積。該量與交流信號強度成正比，較高的CE×PI值對應于更大的交流信號。

圖5.皮膚的光吸收和相應的直流和交流水平。

光線追蹤仿真演示了LED-光電二極管分離對PI的影響。該模擬使用蒙特卡羅方法來追蹤在復雜、不均勻、隨機散射和吸收介質中傳播的光線。模擬幾何形狀由 1mm x 1mm 有效區域探測器組成，距離朗伯發射 LED 1mm 至 10mm。皮膚的七層模型放置在LED和PD上方。 圖6顯示了仿真設置。

圖6.用于確定最佳 LED 光電二極管分離的仿真設置。

仿真確定給定波長和LED光電二極管間距的CE。對仿真結果進行后處理，在下血網真皮層中產生相應的路徑長度。知道光程長度（l）和吸收系數（Δμ）的變化，可以使用公式2計算PI。

圖 7、圖 8 和圖 9 給出了 530nm、560nm、574nm 和 590nm 的仿真結果。從圖9可以看出，高達3mm LED與光電二極管的分離，574nm產生的PPG信號最高。在3mm分離以上，590nm PPG信號質量優于其他波長。

圖7.收集效率與 LED 光電二極管間距的關系。

圖8.灌注指數是 LED 光電二極管間距的函數。

圖9.收集效率和灌注指數與LED光電二極管間距的乘積。

Maxim提供適用于可穿戴、基于手腕的心率檢測應用的IC。MAX86140/MAX86141器件是完整的集成光學數據采集系統，理想用于光學脈搏血氧飽和度和心率檢測應用。兩者都包括高分辨率光學讀數、具有環境光消除功能的信號處理通道以及大電流LED驅動器DAC，以形成完整的光學讀出信號鏈。MAX86140由一個光學讀出通道組成，而MAX86141具有兩個可同時工作的光學讀出通道。MAX86140和MAX86141均具有三個LED驅動器，非常適合多種光學檢測應用。

雖然MAX86140/MAX86141器件負責數據采集，但客戶必須決定如何將LED和光電探測器集成到其工業設計中。

總結

小型、強大的模擬前端電子設備正在促進將生物傳感功能（如心率監測）整合到消費者手腕可穿戴設備中的能力。這些可穿戴傳感器的性能在很大程度上取決于仔細的光學元件選擇和光機械集成到最終客戶的設計中。選擇光學元件時要考慮的關鍵參數是LED的波長和發光效率、波長和光電二極管的響應度。為了確保最高質量的信號，應考慮封裝、串擾抑制屏障以及仔細選擇LED-光電二極管分離。

審核編輯：郭婷