光学方法是植物和动物生物传感最常用的方法之一。例如，来自卫星的遥感设备通常使用反射质量来确定植被的绿化率和应力，使用脉冲体积描记器(PPG)传感器的脉搏血氧仪在医生就诊期间用于收集生命体征数据。实际上，正如这些应用实例所表明的那样，光学传感是相当通用的。光，无论是相干的还是非相干的，在穿过物质时与物质相互作用，被吸收、反射、散射、分散或以其他方式改变。科学家们可以检查光脉冲的大小和形状，它们的光谱内容和偏振，从而得出有关光脉冲所经过的介质中被分析物的信息。

实时血流监测

体积描记图是一种体积测量方法。当血液流动时，心血管脉搏波从心脏传播到全身，周期性地扩张皮下组织中的动脉和小动脉。ppggs使用光来检查组织，通过组织接收到的光与血容量的变化相对应。

根据光源和光电探测器的相对位置，ppg有两种可能的结构:透射吸收和反射。在透射结构中，光源和传感器位于组织的正对面。在反射式排列中，它们可能在同一边。反射结构利用了身体组织的光散射效应。

在今天的诊所和医院中，PPG通常使用指夹进行。然而，只要容易接近富含血管的组织，就有可能在身体的许多其他部位获得有效的PPG信号。在使用反射配置时尤其如此。前额、外耳道、二头肌或小腿肌周围的区域，甚至手腕周围的区域都是这些身体部位的一些例子。

组织光学测量

可见到近红外(NIR)光可以穿透身体组织的深度。由于光线会被血液、黑色素、脂肪和水吸收，因此穿透能力有限。在这个范围内，光主要被散射，因此迅速扩散。光与组织的相互作用取决于不同的组织成分和所用光的波长。考虑到这些变化，PPG信号可以传递许多信息。

背散射光通过脉动的动脉血容量进行调制，而其他组织成分的吸收则保持不变。从一个简单的角度来看，这些结果在光电探测器输出的交流组件是同步的，并与受试者的体积描记信号成比例，以及一个直流信号，这是光源的功能和组织在光路中的恒定吸收。如图1所示为PPG光电探测器接收到的背散射光的示例，数字化光电探测器输出使用三种不同的光源:红色、绿色和红外线。这些信号已经过处理以去除低频噪声。

人体吸收不同波长的光的程度不同。例如，许多PPG设备包括一个或多个绿色led。我们的身体能很好地吸收绿光，所以把注意力集中在绿光上可以减少来自反射环境光的污染。但由于吸收性强，穿透深度也有限，因此只适用于血液灌注充足的区域。

血红蛋白也会强烈吸收绿光，所以绿光很难深入组织。用于脉搏血氧测定的PPG的医疗实现使用近红外光源。红光能深入人体，传递丰富的生理信号。

减轻PPG信号伪影

PPG信号通常不仅包含通过组织的背散射光，还包含由环境光和与组织连接不良引入的伪影。多种因素会影响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，同时还节省功率，先进的PPG集成电路，如MAX30112，包括专门的信号处理和采样方案。

对于可穿戴设备的设计者来说，最大的挑战之一是如何处理环境光的污染。环境光不断变化，室内灯光通常具有跟踪电力线频率的闪烁(即50Hz或60Hz，取决于位置)，这可能会模糊aPPG信号中交流分量中携带的信息。

间断地与组织和光电探测器接触不良会导致运动伪影。反过来，这些人工制品会使测量一些缓慢的生理变化变得困难，特别是在可穿戴设备中，受试者的运动不受限制。

PPG的另一个问题是，可检测的信号大小受皮肤或皮肤色素的黑色素浓度的影响。黑色素被设计成可以衰减入射光的波长。它存在于表皮层，那里没有血液供应，所以PPG装置的目标总是在表皮下。为了克服由于深色色素沉淀而产生的微弱信号，设计师可以选择使用更强的光源，或者选择不同的光频率，比如近红外，因为近红外对黑色素的吸收能力较差。

来自PPG的见解是了解心血管健康的窗口

在去除伪像并通过信号处理放大PPG波形后，可以使用先进的算法来提取和解释其特征。如图2所示为典型的PPG波形。一个峰值间隔，或两个连续收缩峰值之间的距离，代表一个完整的心脏周期。

收缩期振幅(x)提示动脉血流引起的血容量变化，与脑卒中容量有关，可提示血管收缩或舒张;它还可以反映冷敏感性、对麻醉剂的反应、失血、体温过低等。脉宽和脉面积也与全身血管阻力相关，可以反映患者的药物相互作用或血液粘度。

主动脉硬度的一个指标是增强指数，即舒张峰值与收缩峰值之比(y.x)。收缩期和舒张期峰值之间的时间延迟随着受试者年龄的增长而缩短，考虑到受试者的身高，这是大动脉僵硬度的一个指标。这两项指标都能反映受试者的心血管健康状况。

我们还可以比较来自多个波长光源的PPG信号。例如，我们可以比较红光和红外线LED通过同一组织的光吸收，以确定组织的氧饱和度。脱氧血红蛋白比氧合血红蛋白更能吸收红光，而氧合血红蛋白则能更好地吸收红外线。因此，血液氧合与反射红光和红外光的比例成正比。

PPG已经证明成功，或已被建议用于测量参数，如:

• 心率和心率变化

• 呼吸速率

• 血氧饱和度

• 身体水合作用

• 静脉反流疾病(静脉曲张)的严重程度

• 静脉功能

• 冷敏感性

• 血压

• 心输出量

PPG是一种实用的心率测量方法

使用方便，无创，PPG已被用于测量各种生理状况。随着专业PPG电路的进步，光电容积脉搏波描记仪具有便携、低功耗和相对简单的实现。临床研究将PPG与心电图(ECG)进行长期心率变异性(HRV)测量，PPG已被证明是心电图的实用替代方案。即便如此，请注意，如果光电探测器不能与组织保持良好的接触(由于误解的运动伪影)，PPG可能会提供错误的结果。

参考电路

(1)张建军，张建军，张建军，等。基于数字滤波技术的心脏脉搏波监测。医学工程物理1994;18(5): 365 - 72。

(2)王晓明，王晓明，王晓明，等。基于光体积脉搏波的静脉功能评估。Ir J Med science 1982;151(1): 308 - 12所示。

[3]李春华，王晓华，王晓华，等。慢性静脉功能不全伴下肢静脉回流的临床研究。中华外科杂志。1993;80(6):725-8。

(4)刘健，闫波，戴伟，丁鑫，张勇，周楠。多波长光体积脉搏波提取方法。生物医学光学学报，7(10):1313 - 1326

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2017年10月11日，EDN上出现了类似版本的申请说明。