用于可穿戴健身设备的LED传感器

作者: Joerg Heerlein,Tilman Ruegheimer

越来越多的人通过可穿戴小部件和合适的应用软件来跟踪他们的体育健身运动。光学传感器适合用于测量脉率和血氧饱和度。这种技术在医疗领域已经非常成熟，如今又可以移植到消费类应用，这得归功于现代的LED技术。

所有这一切可以从记录人们走路步数的手环算起。现在，诸如健身手环和智能手表等多种运动跟踪器还可以测量心率和其它生物指标或监视睡眠质量。许多人非常看好能够跟踪自己健身水平的新机会，这引发了越来越流行的“量化自我”运动。三星、苹果和谷歌等业内大型公司正携合适的应用、智能手表和智能手机进入这一不断增长的市场。

虽然计步器使用的是加速度传感器，但医疗领域中常用于脉搏和血氧测量的光学方法正在进入消费市场。在医院环境中，传感器大多数安装在耳朵或手指夹中。2013年，Mio Alpha公司的智能手表成为第一款使用光学传感器在手腕上测量脉率的手环产品——与运动员穿戴的胸带相比有了显著改进，没有人愿意整天把胸带戴在身上。智能手机也可以用来在手指上测量脉率。第一批健身手环如今正在进入市场，只需简单地将你的手指放在屏幕上，就可以测量血液中的氧饱和度。这个功能非常实用，比如对于在高海拔地区工作的人员，如登山者、高空滑翔人员和滑翔机引导员，以及得了心脏疾病或肺病的人等。

光学测量方法

传感器测量脉率和血氧饱和度的原理被称为光学体积描记法(PPG)，换句话说，光学测量的是血管中血流量变化。这种方法利用这个原理：动脉中输送的血流量随心脏泵送周期呈现有规律的变化。心脏有节奏地按一定周期泵血(心脏收缩)和抽血(心脏舒张)。这意味着在心脏收缩阶段会有更多的血流经动脉，在心脏舒张阶段血流则较少。通过测量身体某个特定部位的血流量变化，就可以从被测信号的周期性得到脉率。

血流量的测量依据的是血液中的血红蛋白吸收光线的能力(图1)。传感器由彼此紧邻放置的光源和检测器组成，测量时需直接放在皮肤上。发出的光渗透进皮肤、组织和血管，并被吸收、发射和反射。检测器记录的反射光强度将根据流经动脉的血流量变化而变化(图2)。用于这种测量的合适波长取决于在人体的哪部分进行测量。绿光可以在手腕处提供最佳结果，而红光和红外光一般用于手指头处的测量。


图1：反射光脉搏测量原理。传感器发出的光透过皮肤和组织，一部分被吸收，一部分被反射回检测器。因为动脉中的血流量随心脏的每次跳动会有所变化，因此光线被吸收的量以及检测器收到的信号强度也会随之发生改变。绿光可以在手腕处提供最佳结果，而红光和红外光一般用于手指测量。


图2：PPG测量中检测器信号的产生。照射皮肤的光线(I0)被静脉血或动脉血吸收，或反射回检测器。信号的变化分量对应着与心跳同步变化的动脉血流量。这个信号的变化周期指示了脉率。最小和最大检测器信号的比值(光电流Imin/Imax)为判断血氧饱和度提供了依据。

如果用红外光和红光测量吸收率，就可以确定动脉血中的血氧饱和度。这种方法被称为脉搏血氧计，是确定血氧饱和度的唯一非侵入式方法，换句话说，也是唯一不需要采血的一种方法。脉搏血氧计利用了这样一个事实：血中氧气浓度不同，吸收的光量也不同。氧气在血液中是通过血红蛋白分子(Hb)运送的。Hb与氧分子结合后会形成氧合血红蛋白(HbO2)，其吸收性能也会发生改变(图3)。血液中两种血红蛋白分子(cHbO2和cHb)的浓度指示了氧饱和度SpO2：SpO2= cHbO2/(cHbO2+ cHb)。


图3：血液中的血色素——血红蛋白(Hb)的光线吸收性能在与氧分子结合时(氧合血红蛋白或HbO2)会发生改变。血氧饱和度可以通过使用红光和红外光的PPG测量方法进行确定。

在受辐射媒介中光线吸收物质的浓度是光线吸收率的函数。在PPG测量中，有两种不同波长的光用于获得可靠的cHbO2和cHb指示。波长为660nm(nm)的红光和波长为940nm的红外光非常适合这种应用场合，因为两种血红蛋白分子(Hb和HbO2)对这两种光线具有差异最大的吸收性能(图3)。为了判断动脉中的血氧饱和度，我们需要检查脉冲信号分量的吸收情况(图2)。氧饱和度(SpO2)可以表示为相关波长条件下最小与最大检测器信号(Imin和Imax)之比值的函数。

正是薄膜芯片技术的发展，使得生产具有约30nm窄频谱带宽的高效率LED成为可能。这种技术还确保了更高的系统效率，因为薄膜LED几乎是从顶部发射全部的光线，因此基本上所有光线都可以得到充分利用。设计也必须确保波长在整个测量中保持稳定，虽然在测量过程中芯片会有温升。除了LED良好的热稳定性外，短脉冲也是保持波长稳定的一种好方法。小于0.3ms的脉冲长度、重复率约2ms的脉冲是比较理想的。波长的选择取决于想做的测量。对于戴在手腕上的传感器来说，最好使用波长约530nm的绿光LED；指头传感器则通常使用红色(660nm)或红外(940nm)光线。LED有多种版本，因此可以适合不同的设计和应用。脉搏传感器用一种波长就足够了，而测量血氧饱和度通常要交替使用红外和红外光。

对于检测器而言，关键要求包括高线性度、卓越的灵敏度和良好的信噪比。在测量血氧值时线性度尤其重要，因为必须非常精确地测量绝对光电流值Imin和Imax。具有低暗电流的大面积光电二极管是很合适的，比如SFH 2400或带环境光线滤波器的SFH 2430。光电二极管还提供快速开关时间，因此可以很好地对应所要求的短LED脉冲。

像SFH 7050这样的集成化传感器则是一种紧凑的解决方案。这种多芯片传感器包含了3个LED和1个光电二极管，是专门为可穿戴设备和智能手机中的脉搏和血氧饱和度测量设计的。其中的高效率LED采用薄膜技术制造，发出的光(绿色是530nm，红色是660nm，红外是940nm)具有很窄的带宽，因此这种传感器可以支持手腕处的脉率测量和手指头上的血氧饱和度测量。集成的光线屏障可以很好地防止光线从LED串扰到光电二极管。根据具体的应用，3个LED可以单独工作，也可以轮流受控。

SFH 7050中的红外LED也可以与接收器组合在一起用作接近传感器，从而实现传感器接触或离开皮肤时自动开始或停止测量。用于医疗应用中PPG和脉搏血氧测量的芯片组市场上已经有现成的，可用于控制LED和数字化检测器信号。TI公司的TI AFE 4403就是一个具有优秀数字化分辨率(22位)的好例子。