可穿戴耳塞设备中心率监测器的光电机械集成指南

将心率监测器与耳塞式耳机中的光机械集成是设计健身追踪耳塞设备的基本步骤。选择最小化串扰和最大化信号的设计会极大地影响信号的质量。本应用笔记讨论了为获得最佳性能而需要考虑的光学和机械方面。光学设计侧重于光与皮肤和血液的相互作用。机械设计提供了增加与光学元件和表皮耦合的建议。

介绍

越来越多的人借助可穿戴健身臂带和智能手表来跟踪他们的身体健康状况。这些活动追踪器使用光学传感器来测量心率和其他生物特征值。这项技术在可穿戴手腕应用中建立起来，现在可以转移到可穿戴耳塞上。

Maxim Integrated 的 MAX86160 和 MAXM86161 是集成式心率传感器模块，针对耳塞应用进行了优化。两个模块均包括内部 LED、光电探测器、红外传感器和具有高动态范围环境光抑制功能的低噪声电子器件。这些产品是一个完整的系统解决方案，并带有即插即用的软件和强大的算法，可为用户提供有意义的输出。虽然模块负责LED、光电探测器和电子模块的集成，但客户必须决定如何最好地将模块集成到耳塞的工业设计中。本应用笔记概述了反射式心率监测器（如MAX86160/MAXM86161）的工作原理，并就如何将Maxim的心率监测器集成到耳塞式器件中提供了实用建议。

操作理论

光电容积脉搏波（PPG）是光学传感器测量心率的原理。随着心脏泵血，动脉中运输的血液量会发生变化。当心脏排出血液时（收缩期），更多的血液流经动脉，当心脏抽血时（舒张期）流更少的血流。当收缩期和舒张期心跳之间的血容量变化时，它会导致动脉层的光吸收系数发生变化。通过光学照射组织并测量透射光，可以确定由于血容量变化引起的吸收变化，并且可以恢复心率搏动信号。

在身体的某些区域（例如耳朵），透射式心率测量在逻辑上是困难的，因此使用反射测量。反射式心率监测器由排列在同一平面上的光源和检测器组成（图 1）。发出的光穿透皮肤、组织和血管，并被吸收、散射或反射回光电探测器上。由于动脉中的血液量随着心脏的每一次跳动而变化，因此吸收的光量和检测器信号的强度也会发生变化。

图1.反射光脉冲测量的原理。

光与皮肤的相互作用

皮肤由表面的三个主要层组成：无血表皮层（100μm厚），血管化真皮层（1mm至2mm厚）和皮下脂肪组织（1mm至10mm厚，取决于身体部位）。通常，这些层的光学特性由吸收（μa）、散射μs系数和各向异性因子（g）表征。

吸收系数表征在组织中行进的光子每单位路径长度的平均吸收事件数。可见光谱范围内的主要吸收剂是黑色素，黑色素是由氧合血红蛋白（Hb）、脱氧血红蛋白（HbO）组成的血液2），和脂质。在红外光谱范围内，水的吸收主导着皮肤真皮的吸收特性。

图2是人体皮肤的平面七层光学模型。此模型中包含的层如下：

角质层

两层活表皮。

第一层包含状真皮和上血网真皮

第二层包含网状真皮和下血网真皮

皮下脂肪组织

图2.七层皮肤模型。第一层和最外层是角质层，最内层是皮下脂肪组织或脂肪层。

 

层		啧	体积分数			折射率
		吨（微米）	θ血	θ水	θ梅尔	n
1	角质层	20	0	0.05	0	1.40
2	表皮	80	0	0.2	0.01 – 0.10	1.40
3	状真皮	150	0.0024	0.5	0	1.39
4	高级血网真皮	150	0.0060	0.6	0	1.39
5	网状真皮	1000	0.0024	0.7	0	1.41
6	下血网真皮	600	0.0120	0.7	0	1.41
7	皮下脂肪	8000	0.0012	0.7	0	1.44

 

心率搏动信号来源于躺在下血网真皮层的动脉床，这是表1中七层组织模型中的第六层。该层的吸收光谱可以使用组织成分的吸收光谱及其相应的体积分数使用以下公式计算：

μa（λ） = （Sµa.Hb（λ） + （1 - S）μa.HbO2(λ))θ血 + µA.梅尔(λ)θ梅尔 + µa.水(λ)θ水 + µA.利普(λ)θ唇

哪里μA.梅尔0 $梅尔, µa.水, µ水, µA.利普0 $唇分别是黑色素、水和脂质的吸收系数和体积分数。µA.HB和μa.HbO2是氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收系数，θ血是血液的体积分数。S是血氧饱和系数，通常在健康个体中约为95%。

使用公式1和组织成分的测量吸收光谱[1]计算下血网真皮中的吸收系数作为波长的函数。图 3 绘制了结果。

图3.下血网真皮层中的吸收系数作为波长的函数。

光机械设计注意事项

设计一个好的PPG解决方案是非常复杂的，而且经常被低估。幸运的是，Maxim Integrated的模块将发光元件、光电探测器和低噪声电子元件集成到一个模块中，在附有盖板玻璃下，解决了设计中最具挑战性的部分。但是，从光机械的角度来看，心率模块仍然需要成功融入耳塞设计中，以确保可靠和精确的光信号。成功的集成使传感器接收到的信号和信噪比最大化。通过最大化渗透到皮肤足够深的信号以产生PPG信号并最大限度地减少串扰，最大限度地提高信噪比。串扰是传感器上来自PPG信号以外的信号源的信号。

图4显示了典型的光机集成。LED/传感器模块位于客户的工业设计之下。工业设计由透明盖组成，该盖子用作模块和耳朵之间的防潮层和接口。Maxim模块在LED和光电探测器之间提供内部串扰屏障，但客户可以使用额外的外部屏障来进一步抑制串扰。有许多方法可以将串扰屏障和透明盖集成到耳塞设计中。

图4.典型的光机械设计。

透明盖

为透明盖选择一种材料，该材料在心率监测器使用的波长中具有高透射率（大于 90%），以最大限度地提高发射到皮肤中的光和从皮肤返回的信号。为了尽量减少传输损耗，透明盖应尽可能薄，同时仍提供坚固性以承受正常磨损。此外，透明盖应具有接近人体皮肤的折射率（约1.4），以最大程度地减少菲涅耳反射引起的透射损失。

康宁大猩猩玻璃符合这两个标准。康宁大猩猩玻璃的折射率为1.5，Maxim模块工作波长（532nm和880nm）处的透射率超过91%，玻璃提供了厚度薄至200μm的结构良好的盖板。其他潜在的候选材料包括丙烯酸树脂和聚碳酸酯。®®

将模块集成到工业设计中的另一种方法是将模块封装在透明材料中。密封胶不仅具有防水性能，而且还增加了传感器接收到的信号。通过选择折射率接近人体皮肤的密封胶，最大限度地减少菲涅耳反射引起的传输损耗。此外，提供一些“给予”的密封剂会增加与皮肤的接触面积和压力。有机硅是常用的密封胶。表2列出了良好的候选有机硅及其作为封装材料选择的特性。

 

制造者	产品名称	颜色	粘度 （cP）	折射率	传输（ 3.2毫米迪克）	硬度	评论
道康宁	西尔加德 184 有机硅弹性体	无色	3,500	1.4118 在 589nm 时 1.4225 在 632.8nm 处	532nm 时为 97% 880nm 时为 96%	硬度计邵氏 43	高透射率，柔性弹性体
道康宁	EI-1184 光学封装胶	清楚	5,300	1.42 在 632.8nm	380nm 时为 93% 450nm 时为 94% 760nm 时为 94%	硬度计邵氏 A 61	固化为柔性弹性体，固化时间可缩短热量
道康宁	MS-1002 模塑硅胶	光学透明	26,250	1.41 在 632.8nm	380nm 时为 89% 450nm 时为 91% 760nm 时为 94%	硬度计邵氏 A 72	可成型性允许更复杂的设计
道康宁	MS-1003 模塑硅胶	光学透明	42,300	1.41 在 632.8nm	380nm 时为 91% 450nm 时为 92% 760nm 时为 93%	硬度计邵氏 A 51	可成型性允许更复杂的设计
道康宁	MS-4002 模塑硅胶	光学透明	25,000	1.42 在 632.8nm	380nm 时为 89% 450nm 时为 92% 760nm 时为 93%	硬度计邵氏 A 84	可成型性允许更复杂的设计
道康宁	MS-4007 模塑硅胶	光学透明	10,500	1.41 在 632.8nm	380nm 时为 91% 450nm 时为 93% 760nm 时为 94%	硬度计邵氏 A 70	可成型性允许更复杂的设计

 

气隙

由于机械公差，传感器顶部和盖玻片之间需要有气隙。然而，引入气隙允许光线从盖玻片底部反射并击中光电探测器。这种不需要的光线没有穿过皮肤并降低心率监测器的性能。随着气隙的增加，串扰增加。因此，气隙应保持在最小。此外，气隙的增加会增加信号到达传感器所需的路径长度，从而减少传感器接收的总信号。这是传感器/LED之间气隙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。

串扰抑制功能 - 光栅和墨水

为了获得最佳性能，请尽量减少 LED 和光电探测器发出的光之间的串扰。Maxim模块具有内部光栅，可保持较低的串扰水平。以下方法也可以最大限度地减少串扰：

额外的外部光栅

在盖玻片上，光线从盖玻片反射回光电探测器的区域的吸收性油墨沉积（也称为墨迹）

墨迹书写还有一个额外的好处，即部分遮挡了用户的电子设备，并使最终产品更赏心悦目。图 5 显示了这方面的示例。

图5.光障 （a） 和墨迹书写 （b）。

视野

为了最大化皮肤上的入射光和光电探测器上的返回信号，模块的发射区域和视野不应受到阻碍。例如，图6所示的电梯井型结构减少了入射到光电探测器上的信号，因为皮肤上的入射光被阻挡或吸收，并且并非所有信号都能够到达光电探测器。

图6.视野受阻。红色射线显示的光可能贡献了信号，但信号被大气隙和狭窄的开口阻挡。

组织接触

当透明盖未正确耦合到设备和组织时，运动伪影会成为主要的噪声源。透明盖周围可以使用柔韧的材料，以确保心率检测所需的皮肤接触。

关键参数的模拟比较

为了评估盖板玻璃参数、气隙和串扰抑制功能的影响，请考虑PPG测量的两个关键品质因数：灌注指数（PI）和串扰。

PI是检测到的PPG信号的交流/直流比。PI 越高，性能越好。入射到光电探测器上的光信号由一个大的恒定直流和一个小的可变交流分量组成。直流分量不包含心率信息，而直流分量对应于搏动动脉血[2]（图7）。

串扰是没有穿过任何皮肤的信号，可以通过其串扰分数来量化，串扰分数是尚未到达皮肤的信号与光电探测器上返回的总信号的比率。较高的串扰会降低PPG信号并降低PI。

图7.皮肤的光吸收和相应的直流和交流水平。

光线追踪仿真演示了盖玻片厚度、气隙和屏障的影响。该模拟使用蒙特卡罗方法来追踪在复杂、不均匀、随机散射和吸收介质中传播的光线。皮肤的七层模型用于模拟耳朵的光学特性。

首先，模拟了气隙变化对串扰的影响。对厚度为0.4mm的康宁大猩猩玻璃盖板玻璃进行了0.1mm至1.5mm的气隙评估。随着气隙的增加，串扰自然也随之增加。

通过对仿真结果进行后处理来评估串扰增加对性能的影响，以确定PI变化与气隙的函数关系。结果表明串扰对PPG信号质量的损害有多大（图8）。

图8.光电探测器上的串扰信号与气隙的关系。

图9.PI 作为气隙的函数。

接下来，模拟了盖玻片厚度变化对串扰的影响。使用康宁大猩猩玻璃进行模拟，厚度为0.2mm至1.0mm，固定气隙为0.2mm。结果表明，随着玻璃厚度的增加，串扰也会增加（图10）。这种串扰是由于玻璃内部的光从LED引导到光电探测器。通过对仿真结果进行后处理，确定盖玻片厚度增加导致串扰增加对PI的影响（图11）。

图 10.光电探测器上的串扰与盖玻片厚度的关系。

图 11.光电探测器上的PI作为盖玻片厚度的函数。

正如预期的那样，由于盖玻片引入串扰，心率监测器的PPG信号在放置在盖玻片后面时会降低。随着盖玻片厚度的增加，这种降解变得更加严重。此外，由于通过盖玻片的传输损耗，光电探测器上的总信号随着厚度的增加而减小。由于这些原因，应尽量减少盖板玻璃的厚度。但是，太薄的盖板玻璃太脆弱，容易碎裂。因此，有必要在最终客户的工业设计中找到性能和机械稳定性之间的平衡。

总结

将 LED、光电探测器、红外传感器和低噪声电子元件集成到心率测量模块中，有助于将生物传感功能整合到耳塞等消费类可穿戴设备中。这些模块的性能在很大程度上取决于它们与最终客户设计的光机械集成。本应用笔记概述了成功集成反射式心率监测模块需要考虑的关键参数，并讨论了每个参数如何影响性能。为确保最高质量的信号，请使用高透射盖玻片，并尽量减少盖玻片和心率监测模块之间的气隙。盖板玻璃厚度是机械刚性问题和性能之间的权衡。屏障和吸收性墨迹等外部特征可以大大减少LED和光电探测器之间的串扰，以增强PPG信号。

审核编辑：郭婷