【心率算法开发】-PPG信号检测方法

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、PPG心率检测器、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：当光照照射皮肤组织然后再反射到光敏传感器时光照有一定的衰减的。像肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织等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.
   

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. 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。