PPG信号与血压

顾庆元

光体积描记术（PPG）是一种相当简单和廉价的技术，在医学上广泛用于测量心率和血氧饱和度。它是基于皮肤的照明和测量其光吸收的变化。它通常由一个发光二极管(LED)来照亮皮肤和一个光电探测器(光电二极管)来测量通过或从皮肤反射的光的强度。
组织颜色的变化以及对光线的吸收是由体内血液循环控制的，血液循环是由跳动的心脏的收缩和舒张驱动的。心脏收缩时，心脏肌肉收缩，血液流向身体周围，因此血压会升高。这种血液脉搏波的传播导致血压升高。同样，当心脏舒张期血液充盈时，血压也会下降。这就产生了一个周期信号，它具有清晰而明确的收缩期峰值(血液在收缩期被推出心脏时的第一次穿过)和微妙的舒张期峰值(血液在舒张期从外周返回心脏)。每个周期性重复的周期包含一个收缩期峰值和一个舒张期峰值。前者通常很容易检测到，可以用来确定心率(HR)，而后者有时很明显，但更多时候很难正确检测到。理想波形和常见异常的示例如图所示。



理想光体积图(PPG)周期波形及其失真波形旁的一阶和二阶导数。理想的例子有单个的大收缩压峰值和一个随后的低舒张压峰值，而异常有过多或过少的峰值。所有数据都来自MIMIC III数据库

如果用PPG来测量血流速度，即通常所说的脉搏波速度(PWV)，那么PPG和BP之间的关系就得到了很好的证实。当血管变硬或收缩得更厉害时，血液流动得更快，压力也更大。同样，当血管更放松或更有弹性时，血液流动更慢，施加的压力也更小。从心脏发出的脉搏到达身体外周点所需的时间称为脉搏传递时间(PTT)。当PTT较短时，表示血压较高，而PTT较长则表示血压较低。然而，为了使用这种方法，需要两个传感器，通常是在心脏上的心电图(ECG)和在身体外周点的PPG
心脏活动时血容量的细微变化，反映在PPG信号的形态上，似乎也与BP有关。然而，这种关系目前仅用机器学习建模。