PPG技术原理

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。

PPG原理

当一定波长的光束照射到指端皮肤表面，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。

PPG信号干扰因素

1. 光学噪声：特别需要考虑运动过程中产生的噪声
2. 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。
3. 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。

PPG信号特征

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，投射光强最小；反射光强与透射光强的规律恰恰相反。

心电信号产生原理

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) PR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) ST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

1. ECG技术原理和PPG技术原理对比
2. 【可穿戴算法开发】-PPG信号检测方法
3. Photoplethysmogram Intensity Ratio: A Potential Indicator for Improving the Accuracy of PTT-Based Cuffless Blood Pressure Estimation - 张元亭团队