概述活動追蹤設備中的光電元件

作者 : Nolan Johnson

可穿戴裝置中的感測器可收集、處理和顯示一系列個人資料,說明監測和管理越來越多的個人健康領域。可穿戴裝置能夠測量廣泛的人體機能,包括血壓、心率及血氧水準。光電元件可在測量這些參數方面發揮重要作用…

如今,保持身體強健已成為許多人的一種生活方式,例如吃健康食品、每晚睡七到八個小時和堅持每天鍛煉等。同時,由於活動追蹤(activity trackers)設備的使用,使用者能監測自己每天的進步;能透過可穿戴行動追蹤設備,記錄行走了多少步、燃燒了多少卡路里以及睡眠品質。

可穿戴裝置中的感測器可收集、處理和顯示一系列個人資料,說明監測和管理越來越多的個人健康領域。可穿戴裝置能夠測量廣泛的人體機能,包括血壓、心率及血氧水準。光電(Optoelectronic)元件可在測量這些參數方面發揮重要作用。

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圖1 可穿戴活動追蹤設備可記錄運動資料。


知道一個人的最大心率,即可計算其理想目標心率區間,即能夠使心臟得到鍛煉和調理但又不過度勞累的心率水準。監測心率的方法有兩種:心電圖(EKG或ECG)和光體積變化描記圖(photoplethysmogram,PPG)。

EKG可測量心臟的電波活動。伴隨著每次心跳都有一個電脈衝(或「電波」)穿過心臟。該電波造成肌肉收縮,將血液從心臟泵出。雖然EKG是醫院或醫生辦公室中的理想心率監測工具,但並不適合監測日常活動,因此可轉而採用PPG。

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圖2 心電圖。


PPG使用光學方法來檢測人體組織中的血容積變化。PPG感測系統由光源和光電探測器組成。光源可為單一綠光LED,或者紅光和紅外光LED。PPG感測器發光,然後光電探測器測量被人體組織反射或穿過人體組織的光的強度,光強的變化與組織血液灌注的微小變化有關,並提供關於心血管系統的資訊,特別是脈搏率。在活動追蹤設備或可穿戴裝置出現之前,最常見的心率測量裝置是脈搏血氧儀(pulse oximeter),其主要在醫生看診的診間使用,且其測量方法是基於光在手指中的傳輸。可穿戴裝置則是基於皮膚對光的反射。

顧名思義,脈搏血氧計有兩個功能:提供脈搏率和測量血液含氧水準。監測血氧水準對具有呼吸衰竭危險(如氣喘)的患者、艱苦訓練期間的運動員和在高海拔位置鍛煉的任何人都具有重要意義。血氧測定法是一種非侵入式測量和監測技術,用於估計血液中的氧飽和度。氧合血紅蛋白(HbO2)是一種與血紅細胞相結合的蛋白,其吸光特徵不同於還原血紅蛋白(Hb)。與氧合血紅蛋白相比,血紅蛋白在光譜的紅色區域(波長約660nm)具有較高的吸光水準。而在光譜的近紅外區域(波長約940nm),血紅蛋白的吸光水準遠低於氧合血紅蛋白。通過在兩種波長條件下測量穿過人體組織或被人體組織反射的光,可測定血液的氧飽和度。

如前所述,可穿戴裝置讀數是基於光的反射。這意味著發射器和光電探測器安裝在同一塊印刷電路板(PCB)上。關鍵在於只允許光電探測器「看見」反射光;來自發射訊號的光會破壞測量。設計工程師可使用機械屏障對發射器與探測器進行光隔離,或者可使用內置遮光側的FAM封裝。

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圖3 脈搏血氧儀主要是在醫生辦公室使用,測量方法是基於光在手指中的傳輸。


光電探測器的性能特徵在設計用在心率和血氧測量的感測器時非常重要。這些特徵包括130°寬視角、至少100ns的回應時間、與反射強度無關的線性輸出電流,以及對430nm至1,100nm波長的光的敏感性——這是波長為525nm的綠光LED訊號或使用660nm紅光和940nm紅外光的雙發射器感測器的理想搭配。最後,心率和血氧測量還需要具有窄光譜頻寬、高輻射功率、10ns上升和下降時間,以及優良熱穩定性的高效率LED。

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