越来越多的人经过可穿戴小部件和适宜的运用软件来盯梢他们的体育健身运动。光学传感器适宜用于丈量脉率和血氧饱和度。这种技能在医疗范畴现已十分老练，现在又可以移植到消费类运用，这得归功于现代的LED技能。
一切这一切可以从记载人们走路步数的手环算起。现在，比方健身手环和智能手表等多种运动盯梢器还可以丈量心率和其它生物目标或监督睡觉质量。许多人十分看好可以盯梢自己健身水平的新时机，这引发了越来越盛行的“量化自我”运动。三星、苹果和谷歌等业界大型公司正携适宜的运用、智能手表和智能手机进入这一不断增加的商场。
尽管计步器运用的是加速度传感器，但医疗范畴中常用于脉息和血氧丈量的光学办法正在进入消费商场。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运用光学传感器在手腕上丈量脉率的手环产品——与运动员穿戴的胸带比较有了明显改善，没有人乐意整天把胸带戴在身上。智能手机也可以用来在手指上丈量脉率。第一批健身手环现在正在进入商场，只需简略地将你的手指放在屏幕上，就可以丈量血液中的氧饱和度。这个功用十分有用，比方关于在高海拔区域作业的人员，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。
光学丈量办法
传感器丈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，光学丈量的是血管中血流量改动。这种办法运用这个原理：动脉中运送的血流量随心脏泵送周期出现有规则的改动。心脏有节奏地按必定周期泵血(心脏缩短)和抽血(心脏舒张)。这意味着在心脏缩短阶段会有更多的血流经动脉，在心脏舒张阶段血流则较少。经过丈量身体某个特定部位的血流量改动，就可以从被测信号的周期性得到脉率。
血流量的丈量依据的是血液中的血红蛋白吸收光线的才能(图1)。传感器由互相紧邻放置的光源和检测器组成，丈量时需直接放在皮肤上。宣布的光渗透进皮肤、安排和血管，并被吸收、发射和反射。检测器记载的反射光强度将依据流经动脉的血流量改动而改动(图2)。用于这种丈量的适宜波长取决于在人体的哪部分进行丈量。绿光可以在手腕处供给最佳成果，而红光和红外光一般用于手指头处的丈量。
图1：反射光脉息丈量原理。传感器宣布的光透过皮肤和安排，一部分被吸收，一部分被反射回检测器。由于动脉中的血流量随心脏的每次跳动会有所改动，因而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动。绿光可以在手腕处供给最佳成果，而红光和红外光一般用于手指丈量。
图2：PPG丈量中检测器信号的发生。照耀皮肤的光线(I0)被静脉血或动脉血吸收，或反射回检测器。信号的改动重量对应着与心跳同步改动的动脉血流量。这个信号的改动周期指示了脉率。最小和最大检测器信号的比值(光电流Imin/Imax)为判别血氧饱和度供给了依据。
假如用红外光和红光丈量吸收率，就可以确认动脉血中的血氧饱和度。这种办法被称为脉息血氧计，是确认血氧饱和度的仅有非侵入式办法，换句话说，也是仅有不需求采血的一种办法。脉息血氧计运用了这样一个现实：血中氧气浓度不同，吸收的光量也不同。氧气在血液中是经过血红蛋白分子(Hb)运送的。Hb与氧分子结合后会构成氧合血红蛋白(HbO2)，其吸收功能也会发生改动(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)的光线吸收功能在与氧分子结合时(氧合血红蛋白或HbO2)会发生改动。血氧饱和度可以经过运用红光和红外光的PPG丈量办法进行确认。
在受辐射前言中光线吸收物质的浓度是光线吸收率的函数。在PPG丈量中，有两种不同波长的光用于获得牢靠的cHbO2和cHb指示。波长为660nm(nm)的红光和波长为940nm的红外光十分适宜这种运用场合，由于两种血红蛋白分子(Hb和HbO2)对这两种光线具有差异最大的吸收功能(图3)。为了判别动脉中的血氧饱和度，咱们需求查看脉冲信号重量的吸收状况(图2)。氧饱和度(SpO2)可以表明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。
正是薄膜芯片技能的开展，使得出产具有约30nm窄频谱带宽的高功率LED成为或许。这种技能还保证了更高的体系功率，由于薄膜LED几乎是从顶部发射悉数的光线，因而基本上一切光线都可以得到充分运用。规划也有必要保证波长在整个丈量中坚持安稳，尽管在丈量进程中芯片会有温升。除了LED杰出的热安稳性外，短脉冲也是坚持波长安稳的一种好办法。小于0.3ms的脉冲长度、重复率约2ms的脉冲是比较抱负的。波长的挑选取决于想做的丈量。关于戴在手腕上的传感器来说，最好运用波长约530nm的绿光LED;指头传感器则一般运用赤色(660nm)或红外(940nm)光线。LED有多种版别，因而可以适宜不同的规划和运用。脉息传感器用一种波长就足够了，而丈量血氧饱和度一般要替换运用红外和红外光。
关于检测器而言，要害要求包含高线性度、杰出的灵敏度和杰出的信噪比。在丈量血氧值时线性度特别重要，由于有必要十分精确地丈量肯定光电流值Imin和Imax。具有低暗电流的大面积光电二极管是很适宜的，比方SFH 2400或带环境光线滤波器的SFH 2430。光电二极管还供给快速开关时间，因而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息和血氧饱和度丈量规划的。其间的高功率LED选用薄膜技能制作，宣布的光(绿色是530nm，赤色是660nm，红外是940nm)具有很窄的带宽，因而这种传感器可以支撑手腕处的脉率丈量和手指头上的血氧饱和度丈量。集成的光线屏障可以很好地避免光线从LED串扰到光电二极管。依据详细的运用，3个LED可以独自作业，也可以轮番受控。
SFH 7050中的红外LED也可以与接收器组合在一起用作挨近传感器，然后完成传感器触摸或脱离皮肤时主动开端或中止丈量。用于医疗运用中PPG和脉息血氧丈量的芯片组商场上现已有现成的，可用于操控LED和数字化检测器信号。TI公司的TI AFE 4403便是一个具有优异数字化分辨率(22位)的好比方。
传感器规划
与一切传感器相同，信号质量是规划脉率和血氧饱和度丈量用光学传感器时最重要的考虑要素之一。完好的检测器信号由一个十分大的稳定(直流)重量和一个小的可变(沟通)重量——对应脉冲式动脉血——组成(图2)。举例来说，在淡色皮肤的人手腕上用波长为530nm、电流为8mA的LED进行丈量，将发生约0.00035的沟通/直流比。而关于一个深色皮肤的人来说，这个值就比较低，但在手指头上丈量又或许高出约10倍。作为整个信号的一小部分，这种特别小的沟通信号对数字化进程来说是一个艰巨的应战——特别是丈量血氧值时。在这种状况下，有必要对整个信号进行数字化处理，以便沟通重量的分辨率及其最大最小值(Imin和Imax)可以很高。在实际运用中，这意味着整体信号要求至少16位的分辨率。假如只需丈量心率，那么只要信号的周期性改动才重要，信号肯定值则可以疏忽。在这种状况下，稳定重量可以用带通滤波器加以按捺，剩余的沟通重量经扩大后给沟通/直流转换器。光电流的最小和最大值要获得高的分辨率，紧靠着皮肤丈量也很重要。典型的采样率每通道在25Hz和500Hz之间，LED脉冲长度则在0.5ms至5ms范围内。
别的一个要素是环境光线。即便传感器正确放置在皮肤上，环境光线也或许抵达接收器，由于红外光可以透进皮肤很深，并在内部发散。环境光将对信噪比发生负面影响，因而需求尽或许地加以按捺，比方经过传感器与身体之间的杰出触摸，或经过检测器上专门带的环境光滤波器。这种滤波器将检测器的最大灵敏度从红外光谱转换到可见光谱，比方在运用光电二极管SFH 2430状况下转换到570nm，因而十分适宜绿光LED运用。用于消除检测器信号中环境光效应的一个常用办法是在有LED和没有LED状况下做两次丈量，然后取两个信号的差值。像TI AFE 4403这样的芯片组还能出于这个意图宣布适宜的暗信号。
总结
跟着量化自我运动的持续开展，用于医疗运用的光学传感器开端渗透进消费电子范畴，特别是健身手环、智能手表和智能手机。这得归功于具有优异频谱纯度的高功率LED。用于丈量脉率和血氧饱和度的集成化光学传感器代表了这个持续增加商场中技能的开展。
