介绍光学机械设计注意事项

将发光和光感元件集成到生物传感胸式可穿戴设备中是可穿戴设计过程中的基本步骤。通过选择最小串扰和最大信噪比的元件和几何形状，可以极大地影响信号的质量。通过最大限度地提高穿透皮肤足够深的信号以检测光容积脉搏图(PPG)信号，同时最大限度地减少串扰(即传感器上来自PPG信号以外的信号)，可以增加信噪比。本文讨论了光学和机械方面要考虑的最佳性能。

光学元件选择-概述

一般来说，客户可以根据使用情况选择任何发光二极管(LED)或光电二极管(PD)。另外，客户可以参考Maxim的光学元件参考设计文件或采取以下建议。光波长的选择与生命体征和身体部位有关

元件选择- LED

波长是一个依赖于用例的选择。光在组织中的散射非常依赖于波长。绿色波长提供最好的心率信号，同时最大限度地减少运动伪影。红色和红外波长是提供SpO(2)信息所必需的，因为它们位于含氧和脱氧血红蛋白的吸收曲线上。我们推荐采用红光(655nm)、绿光(530nm)和红外线(940nm)共封装的欧司朗SFH 7016 LED，或者采用红光(655nm)和红外线(940nm) +欧司朗Firefly绿光(530nm)共封装的SFH 7015 LED。对于仅用于心率的应用，建议使用欧司朗萤火虫或LT PWSG。

组件选择- PD

PD是可穿戴式心率监测仪中最关键的元件选择之一，因为它是系统接收路径的第一阶段。在广阔的市场上有许多可用的PD选项，因此选择在关键工作波长或其范围内具有高响应性的PD选项非常重要。对于心率应用，由于Maxim PPG AFE具有同类最佳的环境光抑制性能，因此需要PD上的NO IR-cut滤波器。我们推荐Vishay的VEMD8080或欧司朗2703，因为它在红色，绿色和红外波长的高响应性以及可穿戴应用的最佳传感区域和尺寸。

防水

透明罩可以在光学元件和皮肤之间提供防潮屏障和界面。透明罩应由高透射率(90%)的材料组成，该材料的波长用于最大限度地发射到皮肤上的光，并且从皮肤返回的信号应尽可能薄，以最大限度地减少传输损失，但厚度和坚固性足以承受正常的磨损和撕裂。它的折射率应接近人体皮肤的折射率(~1.5)，以尽量减少菲涅耳反射造成的传输损失。我们推荐大猩猩玻璃、聚碳酸酯或亚克力，它们在红、绿、红外波段具有高透射率，坚固耐用，折射率为~1.5。

气隙

由于机械公差，光学元件和透明罩的底部之间需要一个气隙。然而，空气间隙的引入使光线从覆盖玻璃的底部反射并击中光电探测器。这种不必要的光线不会穿过皮肤，从而降低心率监测器的性能。随着气隙的增大，串扰也随之增大。因此，气隙应保持在最小。此外，气隙的增加增加了信号到达传感器所需的路径长度，从而减少了传感器接收的总信号。这也是传感器/LED之间的气隙应该最小化的另一个原因。我们建议不要超过0.8毫米的气隙，以确保可接受的性能。

串扰抑制特性-光屏障

串扰由入射到PD上的信号组成，该信号没有穿过任何皮肤层。高水平的串扰淹没了脉动心率信号，使可穿戴监视器无法有效测量PPG。为了保持低水平的串扰，可以使用物理吸收光屏障。示例如图1所示。

图1所示 串音抑制设计

组织联系

凸起的台面是一种常用的技术，通过确保设备和皮肤之间的适当耦合来帮助减轻运动伪影。

图2显示了台面概念和推荐尺寸，以确保PPG检测所需的适当皮肤接触。

图2 具有推荐尺寸的台面概念

光学元件的视野(FOV)

为了提高信噪比，可以选择LED和PD的视场，以最大限度地提高到达脉动血管床的信号与总信号的比例。视场可以通过修改气隙和串扰抑制屏障来调整。我们发现使用VEMD8080 pd和SFH7016 LED时的最佳视场为+/-60度。

led和传感器之间的间距-概述

在设计反射式心率监测仪时，需要考虑的主要问题之一是确定led和pd之间的最佳分离距离。这种最佳分离是功耗和信号质量之间的平衡。应该选择LED-PD分离，这样可以检测到具有最大和最小脉冲分量的PPG信号，同时也不会消耗太多功率。较大的间距增加了信号质量。我们可以用灌注指数(PI)来评价信号质量，PI是由于血液搏动而检测到的PPG信号的AC/DC比值。较小的间距减少了功耗，因为当LED-PD间距较短时，更多的光被反射/散射回PD上。我们可以通过收集效率(CE)来评估功耗，CE是由于1W LED输出而导致PD上的入射功率。

led和传感器测量数据之间的间距

使用图3所示的设备在右侧的两个位置测量数据，该设备允许分析多个LED-PD间距。

图3 用于测量数据的设备

图4 测量数据的胸部位置

一般指引-摘要

最大接触面积

• 增加皮肤的热容。

• 降低主热流方向的有效Rskin。

• 采用高导热材料做触点，尽量减少传感器与皮肤之间的接触电阻。

最小化系统热质量

图5 注:*光学有效距离= LED中心到PD有效区域较近边缘的距离