TracePro在可穿戴設(shè)備的應(yīng)用案例 ——脈搏、血氧飽和度測(cè)試計(jì)的光學(xué)設(shè)計(jì)

一．可穿戴設(shè)備應(yīng)用的背景

如今，人們對(duì)追蹤健康和健身的“可穿戴設(shè)備”的興趣日益濃厚，脈搏血氧儀因此走出了醫(yī)院，進(jìn)入了普通消費(fèi)者市場(chǎng)。如上肢類可穿戴設(shè)備，主要有智能手環(huán)、智能手表等。除了傳統(tǒng)的時(shí)間顯示和鬧鐘提醒功能，這些設(shè)備還通過(guò)各類傳感器實(shí)時(shí)檢查使用者的心率、脈搏、步速、血氧等，從而獲得用戶運(yùn)動(dòng)或睡眠時(shí)的身體數(shù)據(jù)。例如現(xiàn)在市場(chǎng)上的小米手環(huán)、蘋果 iWatch、三星 GalaxyWatch、華為 Watch。

      

圖（1）華為手表                          圖（2）蘋果手表

    對(duì)于可穿戴設(shè)備，在光學(xué)方面我們要測(cè)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(gè)特點(diǎn)，前者對(duì)可見(jiàn)紅光（660nm）吸收較多，而后者對(duì)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(zhǔn)曲線的查表進(jìn)行比較。

SpO2	狀況
90%-95%	氧合良好
≤90%	低氧血癥
≤85%	嚴(yán)重低氧血癥

表（3）SpO₂的值和表明的狀況

人體血液呈現(xiàn)紅色，主要是因?yàn)閷?duì)綠色吸收比較強(qiáng)。由于血管周期性起搏，使得血管到光電傳感器的距離發(fā)生周期性變化，只要傳感器不停的發(fā)射綠光，接收端會(huì)收到一組周期性的吸收峰，對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的處理就可以得到心率曲線。所以綠光LED對(duì)于心率的測(cè)量必不可少。

二．利用TracePro進(jìn)行仿真及結(jié)果分析

而在設(shè)計(jì)方面，現(xiàn)在就有兩種設(shè)計(jì)方式，一種是反射式，一種是透射式，對(duì)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(duì)于可穿戴設(shè)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(lái)進(jìn)行測(cè)量：

圖（4）仿真前需要的器件

進(jìn)行Tracepro中的仿真建模如下圖（5）：

圖（5）三個(gè)發(fā)光二極管的TracePro通用生物傳感器模型

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

設(shè)定好各種參數(shù)后，先可以設(shè)定一個(gè)光源來(lái)測(cè)試，進(jìn)行光線的追蹤，如下圖：

圖（6）紅光LED的TracePro仿真

TracePro仿真出紅光LED的發(fā)射，進(jìn)行人體皮膚組織后雜散光又被光電二極管接收到，同時(shí)，中間的擋板也很好的阻擋了從光源直接發(fā)出被二極管檢測(cè)到的光線，這樣子我們就可以利用這些得到的光線的條數(shù)等參數(shù)來(lái)估計(jì)出人體的血氧含量。我們可以通過(guò)多次改變?nèi)鐡醢宓膸缀螀?shù)來(lái)比較不同的幾何參數(shù)的減少光串?dāng)_效果，TracePro中還可以自動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化來(lái)找到最佳的參數(shù)。

通過(guò)分別點(diǎn)亮三個(gè)一開(kāi)始設(shè)置的光源，通過(guò)TracePro可以分析進(jìn)入到皮膚組織接收到的光線的輻照度圖（7）：

圖（7）皮膚組織接收到的光線的輻照度

*最左邊是綠色，中間是紅色，右邊是IR（紅外）。綠色LED的總輻射通量為0.015W，如圖所示，中間的紅色為0.0153W，最右邊的IR為0.016W。從上圖可以仿真分析得到：當(dāng)波長(zhǎng)從可見(jiàn)光增加到紅外波段時(shí)，光在組織中傳輸?shù)酶谩?/span>

另外一方面，還可以考慮到太陽(yáng)光等外部光源，皮膚表面出汗，設(shè)備老化等對(duì)設(shè)備測(cè)量的影響，也可以通過(guò)TracePro進(jìn)行仿真：

圖（8）太陽(yáng)光影響的仿真

圖（9）外部光源進(jìn)入組織的光線的輻照度圖

可以分析出：這種雜散光的貢獻(xiàn)與綠色、紅色和紅外LED的貢獻(xiàn)是相同的量級(jí)，這個(gè)信號(hào)是很大的干擾源，導(dǎo)致脈搏血氧飽和度報(bào)告是完全無(wú)效的，而此時(shí)，就可以利用TracePro來(lái)修改擋板的幾何參數(shù)或者通過(guò)其它輔助結(jié)構(gòu)讓穿戴設(shè)備與手指更加貼近等來(lái)減少外來(lái)光源對(duì)結(jié)果造成的影響。

（二）透射法仿真

通過(guò)紅外LED和紅光LED透過(guò)手指進(jìn)行的仿真圖（10）如下：

圖（10）透射法通過(guò)指甲測(cè)量的TracePro仿真

透射法則需要被探測(cè)的光線與發(fā)射光源處于垂直方向，使光通過(guò)皮膚組織到達(dá)手指甲，光線在手指當(dāng)中的光線軌跡也可以很清晰的看出。我們還可以通過(guò)另外的一個(gè)方向來(lái)觀察光線，從末端觀察到達(dá)手指的射線的軌跡，如圖（11）

圖（11）手指末端觀察光線軌跡

我們可以很容易地看到射線的路徑。這可能看起來(lái)不像，但實(shí)際上是件好事，因?yàn)槭种干系墓穷^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(guò)骨骼到達(dá)光電二極管。

三．TracePro的優(yōu)點(diǎn)以及可實(shí)現(xiàn)的功能

從以上的光學(xué)仿真中，我們可以看出TracePro具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）能夠很精確的仿真光線的軌跡和其它參數(shù)如輻照度等的測(cè)量。

2）該軟件具有很簡(jiǎn)便的程序，對(duì)于初學(xué)者可以很快上手。

3）TracePro軟件的界面各個(gè)窗口都很人性化，能夠利用最短的時(shí)間學(xué)習(xí)來(lái)收獲滿滿的效果；

4）TracePro在照明設(shè)計(jì)中能夠?yàn)檎彰髟O(shè)計(jì)者帶來(lái)很好的投資回報(bào)，用少量的金錢就能夠很快的學(xué)習(xí)到一門技術(shù)。

TracePro的分析功能為設(shè)計(jì)師提供了創(chuàng)造更好產(chǎn)品的工具，TracePro可以很好的實(shí)現(xiàn)如下常用功能分析：

1）可以用通量的報(bào)告分析出任何表面的吸收和輻射量，來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性；

2）使用三維輻照度/照度圖來(lái)顯示功率流或通過(guò)光學(xué)部分或光波導(dǎo)；

3）使用可視化的光線追蹤來(lái)查看光線在與部件交互時(shí)的逃逸、反射、傳輸或散射情況，以驗(yàn)證路徑；

4）使用高級(jí)路徑排序來(lái)分析和最小化光波導(dǎo)中的串?dāng)_路徑