PPG(photoplethysmographic,光电容积脉搏波描记法)以LED光源和探测器为基础,测量经过人体血管和组织反射、吸收后的衰减光,记录血管的搏动状态并测量脉搏波。
原理简述：当LED光射向皮肤，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转换成电信号再经过AD转换成数字信号。像肌肉、骨骼、静脉等等对光的吸收是基本不变的（前提是测量部位没有大幅度的运动），但是血液不同，由于动脉里有血液的流动，那么对光的吸收自然也有所变化。我们把光转换成电信号时，正是由于动脉对光的吸收有变化，其他组织对光的吸收基本不变，得到的信号就可以分为直流交流AC信号和DC信号。提取其中的AC信号，就能反应出血液流动的特点。
部分手表传感器绿光闪烁原因：省电
传感器选择绿光原因
- 皮肤的黑色素会吸收大量波长较短的波
- 皮肤上的水份也会吸收大量的UV和IR部分的光
- 进入皮肤组织的绿光(500nm)-- 黄光(600nm)大部分会被红细胞吸收
- 红光和接近IR的光相比其他波长的光更容易穿过皮肤组织
- 血液要比其他组织吸收更多的光
- 相比红光，绿（绿-黄）光能被氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收
PS：其实选白光影响不大
对于PPG信号的处理方法
时域分析法
对原始PPG信号进行滤波，得到一定时间内的波峰个数
假设连续采样5秒的时间，在5s内的波峰个数为N，那么心率就是N*12
频域分析法
如果对PPG信号进行FFT变换，那么就能看到频域的特点。
上面变换后的频域图中，0Hz的信号很强，这部分是骨骼、肌肉等组织的DC信号，在1Hz附近有个相对比较突出的信号就是血液流动转变的AC信号。
设测得到的频率f = 1.2Hz
那么心率HeartRate = f x60 = 1.2 x 60 = 72
血氧的测量，测量难度较大而且精度不算太高
含氧量≈血液中 HbO2（氧合血红蛋白）和 Hb（血红蛋白）的比例
上图表示了氧合血红蛋白HbO2和血红蛋白Hb对波长600 ~ 1000nm的光吸收特性。
从图中可以看出 600 ~ 800nm间Hb的吸收系数更高，800~1000之间HbO2的吸收系数更高。
所以可以利用红光（600 ~ 800nm）和接近IR（800 ~ 1000nm）的光分别检测HbO2和Hb的PPG信号，再通过程序处理算出相应的比值，这样就得到了血氧值。（同时检测也可以）
TIPS:由于光源不同，直接利用红光和接近IR的光进行信号对比是不可靠的
要对数据进行缩放后再比较。
PPG主要存在的技术问题（主要都在采集环节上）
采集信号时的去噪处理，特别是将生理信号与噪声信号分离（运动过程中产生的噪声），是该技术目前面临的最大障碍。
包括但不限于 PG传感器的安装位置；肤色的吸收率；周期交叉问题：周期性活动所产生的光学噪声（慢跑时），心率与步伐速度彼此交错 P；低灌注流量问题：灌流是人体推送血液到微血管床(capillary bed)的过程，如同肤色，血液灌流程度在不同人之间有高度差异，可能受到肥胖、糖尿病或心脏动脉疾病的影响，使得血液灌流量降低。低灌流量─特别是在人体四肢，会对光学心率监测器带来挑战，因为信噪比可能会显著降低，而较低的灌流量与较低的血流信号相关联。另外，要考虑采集过程中，手机摄像头和闪光灯发热问题，可能会烧伤被测量者。
补充：心电信号产生的原理
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心电信号从宏观上记录了心脏细胞的除级和复级过程
1.静息电位心肌细胞未受到刺激(处于静息状态)时存在于细胞膜内、外两侧的电位差.称为静息电位.以细胞膜为界.膜外呈正电位、膜内为负电位，并稳定于定数值的静息电位状态.称为极化状态。
2.动作电位当细胞受到刺激时.其亚微结构就会发生改变，于是对钠离子的通透性加大.从而造成钠离子快速内流，此时可测得+30mv的电压.这就是动作电压。这时细胞膜的Nat K+ATP泵逆浓度差把钾离子送回细胞内而III-除钠离了，恢复原有的极化状态。
image.png
下面对每个波形点作详细的介绍:
(1)P波:最初产生的偏离的波被命名为P波，它反映心房除极过程的电位变化，代表了两个心房的去极。
(2) QRS波群:心室的激活产生的最大的波，它反映心室肌除极过程的电位变化。正常间隔0.08-0.12秒。典型的QRS波群是指三个紧密相连的波;
(3) P R间期:从P波开始到QRS复合波开始，它
代表心房肌开始除极到心室肌开始除极的时限。正常间期是0.12-2.0秒
(4)S T段:是在QRS波群以后，T波以前的一段平线。代表左、右心室全部除极完毕到复极开始以前的
一段时间。
(5) T波:代表心室肌复极过程引起的电位变化。
(6) QT间期:代表整个心室肌自开始除极至复极完毕的总时间。
