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反射计进行PPG波形了解 光学传感器

时间:2019-03-03   来源:vr赛车电子  编辑:热敏电阻厂家  浏览:
光学方法是植物和动物生物传感最常用的方法之一。例如,来自卫星的远程设备通常使用反射质量来确定植被的绿度和应力,并且利用脉冲体积描记器(PPG)传感器的脉搏血氧仪用于在医生访问期间收集生命体征数据。实际上,正如这些应用实例所示,光学传感是相当通用的。无论是相干的还是非相干的光,当物质通过并被物质吸收,反射,散射,分散或以其他方式改变时,它们与物质相互作用。科学家们可以检查光脉冲的大小和形状,它们的光谱含量和偏振,以获得有关光脉冲穿过的介质中分析物的信息。
 
监测实时血流量
体积描记图是体积测量值。当血液流动时,心血管脉搏波从心脏传播并传播通过身体,周期性地扩张皮下组织中的动脉和小动脉。PPG使用光来询问组织,并且通过组织接收的光对应于血容量的变化。
根据光源和光电探测器的相对位置,PPG可以采用两种配置:透射吸收和反射。在透射配置中,光源和传感器位于组织的直接相对侧。在反射安排中,它们可以在同一侧。反射配置利用身体组织的光散射效应。
在今天的诊所和医院中,PPG通常使用手指夹进行。然而,只要容易接近富含血管的组织,就可以在许多其他身体部位获得有效的PPG信号。使用反射配置时尤其如此。前额,外耳道,二头肌或小腿肌肉周围的区域,甚至手腕周围的区域是这种身体位置的一些示例。
 
通过组织进行光学测量
可见近红外(NIR)光可以穿透身体组织的深度。由于光被血液,黑色素,脂肪和水吸收,因此渗透受到限制。在该范围内,光主要是散射的,因此迅速扩散。光 - 组织相互作用取决于不同的组织成分和所用光的波长。鉴于这些变化,PPG信号可以传达许多信息。
 
反向散射光通过脉动动脉血容量调节,而来自其他组织成分的吸收保持恒定。在简化的视角中,这些导致光电探测器输出中的AC分量与受试者的体积描记信号同步并且成比例,以及作为光源的函数的DC信号和光路中的组织的恒定吸收。 。有关PPG光电探测器接收的反向散射光的示例,请参见图1,数字化光电探测器输出使用三种不同的光源:红色,绿色和红外。已处理信号以消除低频噪声。

图1. PPG的光电探测器接收的反向散射光。
 
身体吸收不同波长的光到不同程度。例如,许多PPG设备包括一个或多个绿色LED。绿光很容易被vr赛车的身体吸收,因此专注于绿光可以减轻反射环境光线造成的污染。然而,由于强吸收,渗透深度也是有限的,因此它仅适用于血液灌注充足的区域。
血红蛋白也强烈吸收绿光,因此这种光难以深入组织。用于脉搏血氧仪的PPG的医疗实施使用NIR光源。红光深入人体,提供丰富的生理信号源。
 
减轻PPG信号伪影
PPG信号通常不仅包含通过组织的反向散射光,还包含由环境光引入的伪像和与组织的不良连通性。各种因素可影响PPG信号的质量,包括受试者的皮肤结构,皮肤色素,甚至皮肤温度。为了减轻这些伪影的影响,同时还节省功耗,高级PPG集成电路包括专门的信号处理和采样方案。
对于可穿戴设备设计人员而言,最大的挑战之一是解决环境光污染问题。环境光持续变化,并且室内灯通常具有跟踪电力线频率(即,50Hz或60Hz,取决于位置)的闪烁,其可以模糊PPG信号的AC分量中携带的信息。
与组织和光电探测器的间歇性接触不良会导致运动伪影。反过来,这种伪影可能使得难以测量一些缓慢的生理变化,特别是在受试者的运动不受限制的可穿戴设备中。
PPG的另一个问题是可检测的信号幅度受皮肤或皮肤色素的黑色素浓度的影响。通过设计,黑色素会衰减入射光波长。它存在于没有血液供应的表皮层中,因此PPG装置的目标始终是表皮下的。为了克服由于深色素沉着引起的微弱信号,设计师可以选择使用更强的光源,或者选择不同的光频率,如NIR,其中黑色素的吸收性较差。
 
PPG的见解是心血管健康的窗口
在去除伪影并且通过信号处理放大PPG波形之后,可以使用高级算法来提取和解释其特征。有关典型的PPG波形,请参见图2。峰 - 峰间隔或两个连续收缩峰之间的距离表示完整的心脏周期。
 
图2.典型的PPG波形。
 
收缩期振幅(x)表示由动脉血流引起的血容量变化,并且与心搏量有关,这可能表明血管收缩或血管舒张; 它还可以反映冷敏感性,对麻醉剂的反应,失血,体温过低等。脉冲宽度和脉冲面积也与全身血管阻力相关,这可以反映患者的药物相互作用或血液粘度。
主动脉僵硬度的指标是增强指数,其是舒张压峰值和收缩压峰值(yx)之间的比率。收缩期和舒张期峰值之间的时间延迟随着受试者的年龄而缩短,并且考虑到受试者的身高,提供了大动脉僵硬度的指标。这两个指标都可以为受试者的心血管健康提供信息。
 
vr赛车还可以比较来自多个波长的光源的PPG信号。例如,vr赛车可以通过相同的组织比较光吸收与红色和红外LED,以确定组织的氧饱和度。脱氧血红蛋白比氧合血红蛋白更吸收红光,而氧合血红蛋白可以更好地吸收红外线。因此,血液氧合作用与反射的红光和红外光的比例成比例。
PPG已经证明在测量参数方面取得了成功,或者已被提议用于测量参数,例如:
 
1、心率和心率变化
2、呼吸频率
3、血氧饱和度
4、身体保湿
5、静脉回流疾病(静脉曲张)的严重程度
6、静脉功能
7、冷敏感
8、血压
9、心输出量
 
PPG是心率测量的实用替代方案
PPG易于使用且无创,已被用于测量各种生理条件。随着专用PPG电路的进步,光电容积脉搏波描记图便携,功耗低,并且实现起来相对简单。在比较PPG与心电图(ECG)进行长期心率变异性(HRV)测量的临床研究中,PPG已被证明是心电图的实用替代方案。即便如此,请注意,如果光电探测器无法与组织保持良好接触(由于误解的运动伪影),PPG可能会提供错误的读数。