臂戴式多波长PPG传感器：实现临床级血氧饱和度与心率测量
来源：MEMS
发布时间：2025-06-19
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当前，主流的可穿戴设备通常采用光电容积脉搏波（PPG）传感技术，通过光学手段监测血容量变化。这一技术不仅适用于静息状态，也能在运动场景中稳定运行。传感器的佩戴位置通常会影响测量精度，以苹果（Apple）、佳明（Garmin）、三星（Samsung）、博能（Polar）等为代表的商用腕戴式设备，普遍采用PPG传感技术追踪心率，因此从手腕测量血氧饱和度（SpO₂）也具备可行性。然而，腕戴式PPG传感器在运动中易受伪影干扰，而臂戴式传感器为减少此类干扰提供了更优方案。尽管从理论上看，上臂是理想的传感器佩戴位置，但目前针对该部位血氧饱和度测量的可行性研究仍较为有限。
据麦姆斯咨询报道，针对现有腕戴式PPG传感器在运动伪影、信号串扰和舒适性方面的不足，Polar Electro公司和芬兰国家技术研究中心（VTT）的研究团队联合开发了一种臂戴式多波长PPG传感器，可实现临床级血氧饱和度和高精度光学心率（OHR）测量，同时兼顾舒适性与易用性。相关研究成果以“Wearable Upper Arm SpO₂ Sensor for Wellness Monitoring”为题发表在IEEE Transactions on Biomedical Engineering期刊上。
在这项工作中，研究人员设计并制备了一种基于新型皮肤兼容型点胶透镜的多波长PPG传感器。所有关键光学组件，包括发光二极管（LED）和光电二极管（PD）均贴近皮肤表面，通过透镜结构的最小化光损耗设计，实现了最大光强度输出。透镜和光学组件形成薄的单片结构，通过使用两种点胶材料（遮光胶和透明光胶）有效抑制了LED和PD之间的串扰，使PPG信号的交流（AC）部分实现了高信噪比（SNR）和信号幅度。LED波长包括绿光 (525 nm)、红光 (655 nm) 和红外 (940 nm) 。
图1 本研究提出的臂戴式多波长PPG传感器
该多波长PPG传感器可以自由放置，研究人员选择上臂作为测量位置，旨在探索该部位在光学传感器与血氧饱和度测量中的性能表现。实验数据显示，25名受试者的7秒移动平均分析结果表明，传感器血氧饱和度测量的均方根误差（RMSE）为3.12%（A部分数据）；通过对算法进行首次迭代再训练后，PPG传感器的血氧饱和度测量RMSE降至2.61%（B部分数据），所有受试者的心率测量平均RMSE为1.6 ± 1.1%。PPG传感器的重新校准有效降低了低血氧区间的血氧饱和度高估现象，提升了测量精度，这对精英运动员和耐力运动场景尤为重要。
图2 多波长PPG传感器对血氧饱和度的连续测量结果（A部分：蓝色；B部分：紫色）与离散的动脉血氧饱和度（SaO₂）值（红色）
图3 A部分数据集与B部分数据集（算法重新校准）测量结果对比
综上所述，这项研究工作开发了一款适用于运动、健康与医疗场景的臂戴式多波长PPG传感器，能够实现临床级血氧饱和度和高精度心率测量。该研究采用的创新点胶工艺为可穿戴传感器的开发提供了新方法，可有效提升器件性能并减少串扰。此外，该PPG传感器可采用上臂佩戴方式，不会影响日常活动，因此在需要精准数据的健康监测与医疗领域具有广阔的应用前景。
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