光電容積脈搏波描記法PPG

PPG

實時心率值可以反映一個人當時的心臟活動能力,進而從側面衡量人體的健康狀態。醫院中測心率多采用心電圖的方式,這在日常活動以及運動中是不便測量的,PRG( photoplethysmographic,光電描記法)脈搏波信號採用ILED光源和探測器爲基礎,測量經過人體血管和組織反射、吸收後的衰減光,描記出血管的搏動狀態並測量脈搏波。由於PG信號獲得簡單,測量裝置易於佩戴等特點逐漸成爲非醫院條件下測量血氧、脈搏及心率的主要方法。

光學心率傳感器，如果帶過上述那些智能手錶或者智能手環的朋友來說也不算稀奇的事情。就拿AppleWatch來說，測量心率時底部的錶盤會發出綠色的燈光，並且測量的時候手腕最好保持不動否側會影響測量結果。接下來將詳細介紹光學心率測量的原理。
如下兩張圖是光學心率傳感器。圖a是LED沒有發光的時候中間是一個光敏二極管，圖b是傳感器的LED發光的時候。
 
圖a                                                圖b
那麼爲什麼通過LED燈發光就能測量心率呢？
當LED光射向皮膚，透過皮膚組織反射回的光被光敏傳感器接受並轉換成電信號再經過AD轉換成數字信號，簡化過程：光--> 電 --> 數字信號

爲什麼大多數傳感器都是採用的綠光呢？
我們先看看光譜的特點，從紫外線到紅外線的波長是越來越長的。

之所以選擇綠光作爲光源是考慮到一下·幾個特點：
1. 皮膚的黑色素會吸收大量波長較短的波
2. 皮膚上的水份也會吸收大量的UV和IR部分的光
3. 進入皮膚組織的綠光(500nm)-- 黃光(600nm)大部分會被紅細胞吸收
4. 紅光和接近IR的光相比其他波長的光更容易穿過皮膚組織
5. 血液要比其他組織吸收更多的光
6. 相比紅光，綠（綠-黃）光能被氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收
總體來說，綠光-- 紅光能作爲測量光源。早起多數採用紅光爲光源，隨着進一步的研究和對比，綠光作爲光源得到的信號更好，信噪比也比其他光源好些，所以現在大部分穿戴設備採用綠光爲光源。但是考慮到皮膚情況的不用（膚色、汗水），高端產品會根據情況自動使用換綠光、紅光和IR多種光源。
雖然知道了上面的幾個特點，但是還不足以弄清楚爲什麼通過光照就能測出心率、血氧等參數呢？
下圖就解釋了核心原理

當光照透過皮膚組織然後再反射到光敏傳感器時光照有一定的衰減的。像肌肉、骨骼、靜脈和其他連接組織等等對光的吸收是基本不變的（前提是測量部位沒有大幅度的運動），但是血液不同，由於動脈裏有血液的流動，那麼對光的吸收自然也有所變化。當我們把光轉換成電信號時，正是由於動脈對光的吸收有變化而其他組織對光的吸收基本不變，得到的信號就可以分爲直流DC信號和交流AC信號。提取其中的AC信號，就能反應出血液流動的特點。我們把這種技術叫做光電容積脈搏波描記法PPG。
下圖是PPG信號和ECG信號的對比



實際測量手指的PPG信號如下：

所以，只要測得到的PPG信號比較理想算出心率也不算什麼難事。但是事實總是殘酷的，由於測量部位的移動、自然光、日光燈等等其他的干擾，最終測到的信號可能是下面的這種，所以要通過很多方法進行濾波處理

對於PPG信號的處理，目前我知道的有兩種方法。一種是時域分析，即算出一定時間內PPG信號的波峯個數，另一種是通過對PPG信號進行FFT變換得到頻域的特點。
時域方法：

通過對原始的{PPG信號進行濾波處理，得到一定時間內的波峯個數，然後既可算出心率值

假設連續採樣5秒的時間，在5s內的波峯個數爲N，那麼心率就是N*12 （這個相信大家都懂，就跟把脈一樣~）


頻域分析：

上面分析過，我們把血液流動對光吸收轉變成了AC信號，如果對於進行FFT變換，那麼就能看到頻域的特點。如下圖就是對PPG信號的FFT轉變

上圖中的頻域圖，0Hz的信號很強，這部分是骨骼、肌肉等組織的DC信號，在1Hz附近有個相對比較突出的信號就是血液流動轉變的AC信號。假設測得到的頻率f = 1.2Hz
那麼心率HeartRate HR = f x60 = 1.2 x 60 = 72
最後再簡單提一下血氧的測量，相比心率血氧測量難度較大而且精度不算太高。測量血氧的原理圖下圖所示

由於血液中含有的氧合血紅蛋白HbO2和血紅蛋白Hb存在一定的比例，簡單說也就是含氧量吧。上面的圖表示了氧合血紅蛋白HbO2和血紅蛋白Hb對波長600~1000nm的光吸收特性，從圖中可以看出上600~800nm間Hb的吸收係數更高，800~1000之間HbO2的吸收係數更高。所以可以利用紅光（600~800nm）和接近IR（800~1000nm）的光分別檢測HbO2和Hb的PPG信號，然後通過程序處理算出相應的比值，這樣就得到了血氧值。
但是由於光源不同，直接利用紅光和接近IR的光進行信號對比是不可靠的，因爲紅光和IR透過皮膚組織也會產生不同的吸收。下圖是紅光和IR透過皮膚的原始信號示意圖

上面分析說過，DC部分是光透過皮膚組織轉換成的直流信號，AC是血液流動產生轉換成的交流信號。由於皮膚組織對紅光和IR的吸收程度不同，DC部分自然也就不一樣。爲了能共“公平對待”兩種光源的PPG信號，所以需要對原始信號處理一下。下圖示意了處理後的信號（DC部分相等）

通過一定的比例計算，公平對待Red和IR的PPG信號。這樣計算出來的Hb和HbO2比例纔可靠。