SWIR (短波紅外線) 技術在生物感應方面的基本知識

1.什麼是短波紅外線SWIR？了解短波紅外線技術的基本原理
2. SWIR的基本特性與光學特性
3. SWIR技術的實際應用
4. SWIR技術在醫療保健領域的未來潛力

什麼是短波紅外線SWIR？了解短波紅外線技術的基本原理

您聽過「SWIR（短波紅外線）」嗎？SWIR指的是紅外線光譜中波長較短的光。這種發音為 "swire "的技術現在已經被應用在我們日常生活的各個方面。本文將解釋SWIR，一種紅外光的基本知識和實際應用。

紅外線是指波長比可見光長、比微波爐使用的微波短的電磁波。雖然人類視覺將較長的波長識別為紅光，但其上限據稱為760-830奈米。超過此波長的電磁波無法被辨識為光。因此，它們被稱為「紅外線」（infra-red），意為「可見光紅色區域之外的」。

根據波長範圍，紅外線光可分為近紅外線（NIR：780-2500nm）、中紅外線（MIR：2500-4000nm）和遠紅外線（FIR：4000nm-1mm）。本文介紹的短波紅外線（SWIR，900-1700nm）指的是近紅外線波段的一部分。下圖顯示了SWIR在電磁波譜中的位置。
參考：什麼是SWIR？ | 愛特蒙特光學

下載更多信息

SWIR的基本特性與光學特性

光線在太空等真空中直線傳播，但當它遇到水或空氣等物質時，會表現出「吸收」、「透射」、「反射」和「散射」等各種行為。當光照射到某種材料上時，如果該材料高度透明，光就會穿過（透射）並射出。在透射過程中，部分光會被材料吸收並轉化為熱能（吸收）。如果材料表面像鏡子一樣光滑，部分光線會反射（反射），而如果表面不規則，光線則會向各個方向散射（散射）。
我們的眼睛透過這種「透射光」、「反射光」和「散射光」來識別一切事物的顏色和形狀。

這些光行為會根據每種物質的波長表現出不同的特性變化。例如，矽對可見光不透明，但在短波紅外線SWIR波段則透明。相反，某些類型的玻璃可以透射可見光，但對特定的紅外線光的透射率較低。利用這些材料特有的光學特性，可以進行各種測量和分析。

SWIR技術的實際應用

無線耳機實現
SWIR短波紅外線）對水的高吸收特性被應用於無線耳機的佩戴檢測感測器。最近的無線耳機配備了“接近感應器”，可以非直接接觸地檢測物體，並採用了SWIR技術。無線耳機中的接近感測器產生波長約為1300奈米的SWIR。進入皮膚的部分散射光會被水吸收，衰減後的光回到感測器。透過測量這種衰減，感測器可以檢測無線耳機是否與生物組織接觸。這使得諸如耳機放在桌子上時自動關機，以及僅在佩戴在耳內時自動開機等功能成為可能。
食品檢驗應用
SWIR技術是食品品質控制中重要的非破壞性檢測工具。例如，在測量水果含糖量時，SWIR對水分和糖分的高靈敏度使其能夠在不損壞水果的情況下測量內部糖分水平。這有助於確定最佳採摘時間並根據甜度對水果進行分級。此外，在食品工廠生產線上，使用SWIR光的相機可以高精度地檢測塑膠和紙屑等異物，而這些異物很難用可見光檢測到。
醫療器材應用
SWIR技術正在推動脈搏血氧儀的發展，使其能夠更精確地測量血液成分。脈搏血氧儀是一種醫療設備，它使用安裝在手指或耳垂上的感測器以非侵入式方式測量血氧水平。通常，健康個體的血氧飽和度在 95% 到 100% 之間。

傳統的脈搏血氧儀使用兩種不同波長的光來測量血氧飽和度（SpO2）：

・紅光：約 660 nm
・紅外線光：約940nm

然而，這些波長無法檢測到碳氧血紅蛋白（COHb）。早期發現一氧化碳中毒至關重要，因為它會造成嚴重的健康傷害。

碳氧血紅蛋白 (COHb) 在 1500-1700 nm 的短波紅外線SWIR波段具有特徵吸收光譜，因此可以透過SWIR技術進行測量。最近，美國醫療機構已採用基於SWIR的脈搏血氧儀來診斷疑似一氧化碳中毒患者。

SWIR技術在醫療保健領域的未來潛力

目前醫療保健領域的發展主要集中在用於生命體徵感測的SWIR技術上，其小型化和靈敏度的進步使其能夠整合到穿戴式裝置中。

非侵入性血糖測量
SWIR可以穿透皮膚，並被血液中的葡萄糖分子吸收。這推動了無針血糖測量技術的發展，為糖尿病患者的血糖監測帶來潛在益處。
皮下組織可視化
利用透射特性的SWIR相機可以非侵入性地觀察皮下血管和組織狀況，從而有可能提高靜脈注射的準確性和早期皮膚癌的檢測。
穿戴式裝置生命徵象監測
採用SWIR技術的智慧手錶和戒指可以持續監測血氧水平等生命徵象。
高精度生命徵象測量
先進的SWIR感測器能夠比傳統方法更精確地測量生命徵象。透過檢測生物物質和血流的變化，這些感測器未來有望用於評估壓力水平和自主神經系統狀態。