智能手表PPG技术原理:【图文讲解】

光体积变化描记图法(Photoplethysmography,简称PPG)是借光电手段在活体组织中监测血液容积变化的一种无创监测方法

目前智能手表比较标配的功能:血糖、血压、心电、心率、血氧

1:人体血管

先温习一下,人体血管构造,如下图:

(血液在血管内的流动方向是:动脉→毛细血管→静脉 )

血管分为三种

1:动脉: 将血液从心脏输送到身体各部分去的血管 (类比:信号正)

2:毛细血管:连通于最小的动脉与静脉之间的血管 (类比:负载)

3:静脉: 把血液从身体各部分送回心脏的血管 (类比:信号负)

以上,类比不一定科学,只是用电路的思维加以理解~~~

注意: 毛细血管只允许,红细胞单行通过

脉博和心率的关系:

**脉搏:**动脉血管规律性收缩所产生的搏动,

**心率:**心脏收缩的频率

正常情况下,脉搏的频率,即脉率与心率是一样的;而在一些疾病中,如房颤、周围血管病等,脉率跟心率可不一致,脉率可小于心率,但心率绝不会小于脉率

2:PPG原理

当一定波长的光束照射到手指皮肤表面,每次心跳时,血管的收缩和扩张都会影响光的透射 (例如在透射PPG中,通过手指的光线) 或是光的反射 (例如在反射PPG中,来自手腕表面附近的光线)。当光线透过皮肤组织然后再反射到光敏传感器时,光照会有一定的衰减。像肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织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),但是动脉会不同,由于动脉里有血液的脉动,那么对光的吸收自然也会有所变化。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。

3:PPG信号特征

收缩压:(心脏跳动并泵血)

心脏在收缩的时候,血液对外周动脉所产生的压力

舒张压:( 心脏放松并填充血液**)**

心脏在舒张的情况下,血液对外周动脉所产生的压力。

收缩压和舒张压是心脏在收缩、舒张活动时,动脉血管所产生的压力,也就是常说的高压和低压。在进行血压测量的时候,就会有这两个血压值,可以根据检测结果来判断是否存在高血压或者低血压等疾病。

正常情况下,收缩压会在90-140mmHg之间,而舒张压会在60-90mmHg之间

PTT:指的是脉搏波从主动脉瓣到周身某位置的时间,学界定义存在细微差别,自1977年以来最常用的定义是:R波和peripheral pulse(学术名词:周边脉搏;待确认)的间隔; ECG-TT:ECG-initiated transit time 表示两个peripheral pulse的时间间隔,用于计算PPT的变化;有研究使用ECG峰值到对应的PPG峰值之间的距离作为PTT,另有一些研究用ECG峰值到对应周期PPG上升的起始点之间的时间为PTT,

PAT:Pulse Arrival Time;在一些文献中与PTT同含义,也用于指ECG的R波波峰到对应的PPG主波峰的距离;细节上与PPT的区别是,PAT包括的PEP(Pre-ejection Period Time):反映了心电信号转化为肌肉压力的时间,有文献指出PEP占RR间期约7%的时长,所以在获取PTT时有必要将PEP排除;另外,PEP对PTT的影响随着心脏的距离减小(e.g. 耳部PPG要考虑PEP),多波长PPG获取的PTT可以忽略掉PEP影响(待验证);

PIR(PPG Intensity Ratio): 指PPG信号峰值对应光强与谷值对应光强的比值 ,反映血管直径的变化 。原因在【3】中得到论证: 对应舒展压时间段,血管管径变小,透射光强达到最大;对应收缩压时间段,透射光强最小;反射光强与透射光强的规律恰恰相反

4:脉博波波形特征

5:心电信号产生原理

由上面说到的可知,在收缩压期,动脉血管变大,所以反射的光更高,光电信号处于峰值,而舒张时则完全相反。

6:血氧信号特征

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。

7:血糖测量

血糖相对比较复杂,有几个思路:

1:纯PPG预测

2:PPG+ECG融合预测

8:PPG信号干扰因素

光学噪声:特别需要考虑运动过程中产生的噪声

肤色的吸收率:PPG传感器中光电二极管(PD)采集到的信号强度与肤色直接相关。

运动干扰:运动也会干扰光学系统,当光学心率监护仪用于睡眠研究时,这可能不是问题,但如果在活动期间穿戴,则将很难消除运动伪像,光学传感器 (LED和光电检测器) 和皮肤之间的相对移动也会降低光信号的灵敏度。

9:光源选择

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。

绿光作为光源是考虑到:

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

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

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