【可穿戴算法开发】-PPG信号检测方法_ppg心率算法

随着经济的发展，在人们生活水平提高的同时，高脂肪摄入和低运动量成为了人们普遍的生活模式，近年来高血压、高血脂已经发展为危险性最高的病症。心电、血压、血氧等生理参数是预防和分析心血管疾病的重要生理参数。

• 常用的心电测量仪器有：多导ECG心电图仪、智能穿戴设备（手表、手环、耳机）、心率带等；
• 常用的血氧测量仪器有：电化学法、血氧指夹仪
• 常用的血压测量仪器有：电子血压计

一、PPG（光电容积脉搏波法）信号的检测原理

首先我们来看看什么PPG技术，

1. 光电容积脉搏波描记法PPG：PPG传感器中的LED发射绿光穿过皮肤中的组织和动脉静脉，并被吸收和反射回到光电二极管PD中。像肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织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，正是由于动脉对光的吸收有变化而其他组织光的吸收基本不变，得到的信号就可以分为直流信号和交流信号。提取其中的交流信号，就能反应出血液流动的特点。
   
   

心电信号产生的原理

心电信号从宏观上记录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t: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。

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。

二.PPG技术目前存在的问题（挑战）

• 采集PPG信号的光学噪声。PPG信号的去噪处理，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。
• 肤色的吸收率。PPG传感器中光电二极管（PD）采集到的信号强度取决于穿戴者的肤色。影响因素有：黑皮肤、黄皮肤、白皮肤、有无纹身、有无伤疤
  
• PPG传感器的安装位置。市面上大多数的光学心率传感器是佩戴在三个部位：耳朵(耳塞式耳机)、手臂(佩戴在手臂较高或较低位置的臂带)、手腕(智能手表或是健身追踪腕带)。手腕是准确进行PPG心率量测的最差部位之一，而皮肤表面血管密度较高的前臂，被认为是较好的位置，耳朵则是迄今在人体放置光学心率监测器的最佳位置。
• 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
• 低灌注流量。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。

三、PPG技术的发展

PPG测量心率、血氧的技术距今发展快100年，影响心率、血氧测量准确度的因素主要有心率传感器的光学结构设计和算法，apple watch每一代的心率传感器的结构都有所变化。

心率传感器的供应商有Maxim、ADI、AMS、Osram、Partron、TI、Pixart,汇顶等，算法公司有firstBeat（被Garmin收购）、Gomore、LifeQ等公司，可以评估参数包括健康生活指标类、训练期间评估类、训练管理类。