PPG光电容积脉搏波描记法技术概况

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。

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部分手表传感器绿光闪烁原因:省电

传感器选择绿光原因

  1. 皮肤的黑色素会吸收大量波长较短的波
  2. 皮肤上的水份也会吸收大量的UV和IR部分的光
  3. 进入皮肤组织的绿光(500nm)-- 黄光(600nm)大部分会被红细胞吸收
  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
  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
    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

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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。

经过FTT变换的频域图

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


HbO2和Hb吸收特性

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。


缩放前

缩放后

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

  • 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。


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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。

参考文章

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