一、光电容积脉搏波描记法PPG介绍

  1. 光学心率传感器，例如我们的手环测量心率。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，简化过程：**光–> 电 –> 数字信号。**大多数传感器采用绿光。
  2. 为什么大多数传感器都是采用的绿光呢？

我们先看看光谱的特点，从紫外线到红外线的波长是越来越长的。

之所以选择绿光作为光源是考虑到以下几个特点：

1. 皮肤的黑色素会吸收大量波长较短的波（紫光等）；——不建议

2. 皮肤上的水份也会吸收大量的UV和IR部分的光（红外和紫外光谱）；——不建议

3. 进入皮肤组织的绿光(500nm)– 黄光(600nm)大部分会被红细胞吸收；——建议

4. 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；——建议

5. 血液要比其他组织吸收更多的光。

6. 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（首选）

总体来说，绿光– 红光能作为测量光源。早起多数采用红光为光源，随着进一步的研究和对比， 绿光作为光源得到的信号更好，信噪比也比其他光源好些，所以现在大部分穿戴设备采用绿光为光源。但是考虑到皮肤情况的不用（肤色、汗水），高端产品会根据情况自动使用换绿光、红光和IR多种光源。

  1. 虽然知道了上面的几个特点，但是还不足以弄清楚为什么通过光照就能测出心率、血氧等参数呢？

下图就解释了核心原理

光照透过皮肤组织再反射到光敏传感器光照有一定的衰减的。像肌肉、骨骼、静脉和其他连接组 织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。当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而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DC信号和交流AC信号。提取其中的AC信号，就能反应出血液流动的特点。我们把这种技术叫做光电容积脉搏波描记法PPG。

下图是PPG信号和ECG信号的对比

实际测量手指的PPG信号如下：

  

所以，只要测得到的PPG信号比较理想算出心率也不算什么难事。但是事实总是残酷的，由于测量部位的移动、自然光、日光灯等等其他的干扰，最终测到的信号可能是下面的这种，所以要通过很多方法进行滤波处理

对于PPG信号的处理，目前我知道的有两种方法。一种是时域分析，即算出一定时间内PPG信号的波峰个数，另一种是通过对PPG信号进行FFT变换得到频域的特点。

二、PPG信号处理时域方法：

通过对原始的PPG信号进行滤波处理，得到一定时间内的波峰个数，然后即可算出心率值。

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

三、PPG信号处理频域分析：

上面分析过，我们把血液流动对光吸收转变成了AC信号（交流信号），如果对于进行FFT变换，那么就能看到频域的特点。如下图就是对PPG信号的FFT转变：

上图中的频域图，0Hz的信号很强，这部分是骨骼、肌肉等组织的DC信号（直流信号），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。假设测得到的频率f = 1.2Hz

那么心率HeartRate HR = f x60 = 1.2 x 60 = 72

最后再简单提一下血氧的测量，相比心率血氧测量难度较大而且精度不算太高。测量血氧的原理图下图所示

由于血液中含有的氧合血红蛋白HbO2和血红蛋白Hb存在一定的比例，简单说也就是含氧量吧。上面的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，从图中可以看出上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，然后通过程序处理算出相应的比值，这样就得到了血氧值。

但是由于光源不同，直接利用红光和接近IR的光进行信号对比是不可靠的，因为红光和IR透过皮肤组织也会产生不同的吸收。下图是红光和IR透过皮肤的原始信号示意图

上面分析说过，DC部分是光透过皮肤组织转换成的直流信号，AC是血液流动产生转换成的交流信号。由于皮肤组织对红光和IR的吸收程度不同，DC部分自然也就不一样。为了能共“公平对待”两种光源的PPG信号，所以需要对原始信号处理一下。下图示意了处理后的信号（DC部分相等）

通过一定的比例计算，公平对待Red和IR的PPG信号。这样计算出来的Hb和HbO2比例才可靠。