對于那種可以實時評估個人血氧濃度(SpO2)的電子光學(electro-optical，E-O)夾持設備我想大家并不陌生。這種小型血氧儀的價格約為25美元，可以說隨處可見，徹底改變了以往繁瑣的測量方法。
這正是一個出色的案例，展現了光譜分析法與光體積變化描記圖法(PPG)的有效結合，并且證明了只要適當整合LED、光傳感器與先進的算法，即可在毫無負面影響的情況下創造顯著優勢。
利用光學技術進行非侵入式測試的好處顯而易見。因此，目前還有許多有趣的研究正致力于善加利用LED、光傳感器以及高性能模擬前端(AFE)放大器與人工智能(AI)，進一步降低成本、提高靈活性并改善使用體驗。
這些研究的目標在于超越測量SpO2的范疇，進一步去探索血壓(BP)、皮膚病變，甚至某些類型癌癥的生物醫學指標。而推動這些創新的關鍵之一，正是電光組件所帶來的相對較低的成本、低功耗、低電壓與操作簡便等優勢
許多由此開發的設備都是非侵入式的皮膚貼片，從測試階段到最終實際應用，均未表現出風險。當這些設備再去結合先進的算法，以及針對常規和個別患者進行訓練后的AI模型，有望帶來一些令人印象深刻的成果。
然而，這些項目的實施必須跳脫傳統射頻(RF)或功率電路的思維，轉向模擬信號處理領域。人體內的信號頻率相對較低，通常低于100Hz，因此，諸如RF的寄生效應等問題并不至于造成難題。同時，相關的電壓、電流與功率值也僅落在毫微級。
由于信號強度較低——例如，100mm Hg的血壓讀數相當于2psi或0.13bar，而且信號易受到人體內的電氣、化學與運動噪聲的干擾，因此，監測系統需要具備高分辨率與寬動態范圍。此外，由于基線波動較大、噪聲類型與頻譜難以表征，導致信噪比(SNR)偏低。
血壓項目的潛力
為了滿足對于連續、非侵入式且精確的血壓數據測量的需求，美國波士頓大學工程學院的團隊開發了一套390Hz的散斑對比光譜(speckle contrast optical spectroscopy，SCOS)系統，能與PPG信號同步測量心臟血流波形，并具備高時間分辨率。
該系統采用高速多路復用技術檢測手腕和手指上的光學散斑圖案，能夠獲取與血壓高度相關的新特征。盡管PPG信號能反映組織中脈搏血容量的變化，但其對于心臟周期中血流速度變化的反應并不如SCOS靈敏。
這種SCOS方法所捕捉的動態干涉圖案，被稱為散斑圖案(speckle pattern)，源自于激光在組織內的散射，而組織直接受血流影響。通過高速取樣取得散斑圖案，SCOS可以揭示脈搏血流指數(BFi)波形，為診斷提供新方向。
此外，PPG和BFi波形截然不同，這為檢測心血管健康和血壓相關的新功能提供了機會。再者，BFi波形在低組織灌流狀態下比PPG信號更具穩定度，更能抵抗噪聲干擾，而且對溫度和運動也較不敏感，可以顯著提升準確度。
實驗流程與結果
研究團隊將SCOS系統連接至手指，針對30名受試者分別在倒蹬訓練的運動前、運動中和運動后進行測量，光信號則通過光纖傳輸至傳感器(如圖1所示)。
圖1：這看起來不像一個典型的血壓監測儀，但該設備是由美國波士頓大學光學技術實驗室設計和研發，利用光追蹤血壓取代傳統血壓測量儀的設備。(來源：Boston University)
在此系統中，采用50:50光纖分光器以808nm光波同時照射手指與手腕，其中一根光纖置于手指，另一根則放在手腕。532nm與808nm的光源光纖在手腕上相距1公分(如圖2所示)。
圖2：在SCOS測量時，(A)隨著血流和血容量在收縮期增加，散斑對比度與光強度降低；(B)顯示數據處理流程。(C)顯示在一次心跳脈沖期間具代表性的BFi和PPG波形。(D)聚焦于測量設置。(E)當在手腕進行532nm/808nm反射測量時，在手指上則進行808nm透射測量。(F) 顯示每個測量位置的PPG和BFi波形。(G) 設備被放置于受試者的手腕與手指上。(H)不同Fitzpatrick膚色數值的受試者在各測量位置的BFi與PPG信號的SNR對比。(來源：bioRxiv)
圖解與分析
所取得的波形具備較高的時間分辨率，提供了各種形狀、時域和頻域的特征，這些特征可用于機器學習模型，有助于估算受試者的連續血壓。相較于僅使用PPG，無論是在倒蹬還是其他運動，SCOS均可提供更豐富的信息，顯著提高了運動期間的血壓預測準確性。
最終的數據經過多種靜態分析和誤差分析，并導入各種既有的血流與血壓模型進行評估(如圖3所示)。特定病人的模型甚至能在大約20周后重新測量時，還能夠提供非常精確的血壓預測。
圖3：(A)顯示測量方案、數據分析與倒蹬測試結果。(B) SCOS設備在基線、運動和恢復期間的血壓波形；在此處，單一手指808nm BFi波形顯示基線、運動和恢復之間的形態變化，位于光波形下方。(C)時間和區域相關特征顯示在代表性的BFi波形上，其中Tc是心臟周期的長度，Td是舒張時間，Ts是收縮時間，T75、T50、T25分別是脈沖幅度的75%、50%和25%寬度。(D)來自手指的BFi和PPG波形，突顯BFi和PPG波形的收縮峰值時間延遲。(E)頻域特征顯示，其中H1、H2、H3是諧波峰值。(F)顯示BP估算模型。(來源：bioRxiv)
超越血壓測量
然而，研究并未止步于血壓監測。研究團隊目前正積極探索其他非侵入式或零風險的測試技術，這些測試也可以利用電光技術來實施。他們正在測試一種類似的新型光學技術，通過測量光的吸收與散射，讀取癌細胞的代謝信號，并通過分析氧合與脫氧紅細胞的濃度與比例，來預測腫瘤是否可能縮小。
此外，研究團隊還嘗試進一步微型化光學熒光檢測(FLD)的設備體積。這項技術讓研究人員得以觀察到細胞或組織中各種組成分子的分布、定位與交互作用，提供了傳統光學顯微鏡無法捕捉到的細胞活動過程和功能。相較于傳統的光吸收、散射或反射，FLD主要依靠熒光進行成像并產生信號。
這種FLD方法使用熒光染料(熒光分子)來標記蛋白質、組織和細胞等樣本，以產生信號，并吸收特定波長范圍的光源能量，使染料分子內部的電子躍遷至激發態，隨后電子返回基態并釋放能量，以另一特定波長范圍的形式發射光能。接著，這些光再由傳感器接收并進行測量。
以現成IC簡化任務
IC供應商對于LED與光傳感器組合的應用表現出高度支持。例如Analog Devices (ADI)的MAX86171即是一例(如圖4所示)，這是一款集成度極高、超低功耗的光學數據采集系統，具有傳輸和接收通道，非常適合這些應用。盡管其內部結構復雜，但這些實際應用只需要少數幾個分立元件。
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圖4：MAX86171是一款具有多通道、超低功耗的光學數據采集IC (上圖)，通過高度集成簡化外部布線的復雜度，并減少了對無源組件的需求(右圖)。(來源：Analog Devices Inc.)
在LED方面，該芯片擁有9個可編程LED驅動輸出引腳，連接到三個高電流、8位LED驅動器。在光傳感器方面，該IC提供2組低噪聲的充電積分前端，并搭載環境光抑制(ALC)電路，從而形成一個高效能、高整合度的光學數據采集系統。
LED與光傳感器的進步及其所帶來的各種機會，為生物醫學領域帶來了很多意想不到的收獲——這些光電元件最初雖然是為其他用途而開發的，但由于其技術的進步與巧妙的適應改造，使其成為推動各種醫療創新的理想選擇。
責編：Ricardo
