【技術文章】可穿戴設備心率、血氧飽和度測試的光學設計 —— TracePro光學設計應用案例

如今，人們對追蹤健康和健身的“可穿戴設備”的興趣日益濃厚，脈搏血氧儀因此走出了醫院，進入了普通消費者市場。如上肢類可穿戴設備，主要有智能手環、智能手表等。除了傳統的時間顯示和鬧鐘提醒功能，這些設備還通過各類傳感器實時檢查使用者的心率、脈搏、步速、血氧等，從而獲得用戶運動或睡眠時的身體數據。例如現在市場上的小米手環、蘋果 Apple Watch、華為 Watch、三星 GalaxyWatch。

圖（1）小米手環8pro

圖（2）華為手表

對于可穿戴設備，在光學方面我們要測量脈搏血氧飽和度可以利用氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白有不同的吸收光譜這個特點，前者對可見紅光（660nm）吸收較多，而后者對紅外線（940nm）吸收較多，即SpO2的值在不同的氧合狀況下值不同，然后，將SpO2比值與基于健康受試者校準曲線的查表進行比較。

人體血液呈現紅色，主要是因為對綠色吸收比較強。由于血管周期性起搏，使得血管到光電傳感器的距離發生周期性變化，只要傳感器不停的發射綠光，接收端會收到一組周期性的吸收峰，對信號進行一定的處理就可以得到心率曲線。所以綠光LED對于心率的測量必不可少。

而在設計方面，現在就有兩種設計方式，一種是反射式，一種是透射式，對于這兩種方法的仿真后的分析下文將做解釋。

（一）反射法仿真

對于可穿戴設備，需要具備紅光LED，紅外LED，綠光LED和光電二極管如圖的器件來進行測量：

圖（4）仿真前需要的器件

進行Tracepro中的仿真建模如下圖（5）：

*用940nm（作為紅外光波長）、655nm（作為紅光波長）和530nm（作為綠光波長），同時也有一塊擋板尺寸為5mm*2.5mm*1mm用來防止光串擾。

通過分別點亮三個一開始設置的光源，通過TracePro可以分析進入到皮膚組織接收到的光線的輻照度圖（7）：

可以分析出：這種雜散光的貢獻與綠色、紅色和紅外LED的貢獻是相同的量級，這個信號是很大的干擾源，導致脈搏血氧飽和度報告是完全無效的，而此時，就可以利用TracePro來修改擋板的幾何參數或者通過其它輔助結構讓穿戴設備與手指更加貼近等來減少外來光源對結果造成的影響。

我們還可以通過另外的一個方向來觀察光線，從末端觀察到達手指的射線的軌跡，如圖（11）：

我們可以很容易地看到射線的路徑。這可能看起來不像，但實際上是件好事，因為手指上的骨頭擋住了光線。這條射線軌跡表明，由于組織中的大量散射，光可以繞過骨骼到達光電二極管。

從以上的光學仿真中，我們可以看出TracePro具有以下優點：

1）能夠很精確的仿真光線的軌跡和其它參數如輻照度等的測量。

2）該軟件具有很簡便的程序，對于初學者可以很快上手。

3）TracePro軟件的界面各個窗口都很人性化，能夠利用最短的時間學習來收獲滿滿的效果。

4）TracePro在照明設計中能夠為照明設計者帶來很好的投資回報，用少量的金錢就能夠很快的學習到一門技術。

TracePro的分析功能為設計師提供了創造更好產品的工具，TracePro可以很好的實現如下常用功能分析：

1）可以用通量的報告分析出任何表面的吸收和輻射量，來驗證設計的合理性。

2）使用三維輻照度/照度圖來顯示功率流或通過光學部分或光波導。

3）使用可視化的光線追蹤來查看光線在與部件交互時的逃逸、反射、傳輸或散射情況，以驗證路徑。

4）使用高級路徑排序來分析和最小化光波導中的串擾路徑。