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辛太励

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[问答]

PPG信号和ECG信号有什么不同?

PGG是什么?
测量PPG面临的主要挑战来自哪些方面?
PPG信号和ECG信号有什么不同?

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肖舒

2021-7-20 14:48:05
  PGG是指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检测血液容积变化的一种无创检测方法。
  当一定波长的光束照射到指端皮肤表面,例如每次心跳时,血管的收缩和扩张都会影响光的透射 (例如在透射PPG中,通过指尖的光线) 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。
  
  下图是PPG信号和ECG信号的对比:
  
  根据PPG与ECG个别的生理特征点,我们可以发现ECG的峰值来自于心室的收缩,而PPG的峰值则是因为血管收缩所造成的,因此我们可以得到血液自心脏送出后到达量测部位的传输时间,也就是脉搏波传递时间Pulse Transit Time (PTT),脉搏波传递的速度与血压是直接相关的,血压高时,脉搏波传递快,反之则慢,所以通过心电信号ECG与脉搏波信号PPG获得脉搏传递时间 (PTT),再加上常规的一些身体参数 (如身高、体重) 即可得出脉搏波传递速度,通过建立的特征方程来估计人体脉搏的收缩压与舒张压,可实现无创连续血压测量。
  测量PPG面临的主要挑战来自环境光和运动产生的干扰。阳光产生的直流误差相对而言比较容易消除,但日光灯和节能灯发出的光线都带有可引起交流误差的频率分量。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。
  此外,运动的频率分量也可能会被误判为心率,因此,必须测量该运动并进行补偿。设备与人体之间相贴越紧密,这种影响就越小,但采用机械方式消除这种影响几乎是不可能的。通常可使用多种方法来测量运动的干扰,其中一种是光学方法,即使用多个LED波长。共模信号表示运动,而差分信号用来检测心率。
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