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
目前智能手表比较标配的功能：血糖、血压、心电、心率、血氧
1：人体血管
先温习一下，人体血管构造，如下图：
（血液在血管内的流动方向是：动脉→毛细血管→静脉 ）
血管分为三种：
1：动脉： 将血液从心脏输送到身体各部分去的血管 （类比：信号正）
2：毛细血管：连通于最小的动脉与静脉之间的血管 （类比：负载）
3：静脉： 把血液从身体各部分送回心脏的血管 （类比：信号负）
以上，类比不一定科学，只是用电路的思维加以理解~~~
注意：毛细血管只允许，红细胞单行通过
脉博和心率的关系：
脉搏：动脉血管规律性收缩所产生的搏动，
心率：心脏收缩的频率
正常情况下，脉搏的频率，即脉率与心率是一样的；而在一些疾病中，如房颤、周围血管病等，脉率跟心率可不一致，脉率可小于心率，但心率绝不会小于脉率
2：PPG原理
当一定波长的光束照射到手指皮肤表面，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，通过手指的光线) 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。
3：PPG信号特征
收缩压：（心脏跳动并泵血）
心脏在收缩的时候，血液对外周动脉所产生的压力
舒张压：（心脏放松并填充血液）
心脏在舒张的情况下，血液对外周动脉所产生的压力。
收缩压和舒张压是心脏在收缩、舒张活动时，动脉血管所产生的压力，也就是常说的高压和低压。在进行血压测量的时候，就会有这两个血压值，可以根据检测结果来判断是否存在高血压或者低血压等疾病。
正常情况下，收缩压会在90-140mmHg之间，而舒张压会在60-90mmHg之间
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，透射光强最小；反射光强与透射光强的规律恰恰相反。
4：脉博波波形特征
5：心电信号产生原理
由上面说到的可知，在收缩压期，动脉血管变大，所以反射的光更高，光电信号处于峰值，而舒张时则完全相反。
6：血氧信号特征
由于血液中含有的氧合血红蛋白HbO2和血红蛋白Hb存在一定的比例，简单说也就是含氧量吧。上面的图表示了氧合血红蛋白HbO2和血红蛋白Hb对波长600~1000nm的光吸收特性，从图中可以看出上600~800nm间Hb的吸收系数更高，800~1000之间HbO2的吸收系数更高。所以可以利用红光（600~800nm）和接近IR（800~1000nm）的光分别检测HbO2和Hb的PPG信号，然后通过程序处理算出相应的比值，这样就得到了血氧值。
但是由于光源不同，直接利用红光和接近IR的光进行信号对比是不可靠的，因为红光和IR透过皮肤组织也会产生不同的吸收。下图是红光和IR透过皮肤的原始信号示意图
上面分析说过，DC部分是光透过皮肤组织转换成的直流信号，AC是血液流动产生转换成的交流信号。由于皮肤组织对红光和IR的吸收程度不同，DC部分自然也就不一样。为了能共“公平对待”两种光源的PPG信号，所以需要对原始信号处理一下。下图示意了处理后的信号（DC部分相等）
通过一定的比例计算，公平对待Red和IR的PPG信号。这样计算出来的Hb和HbO2比例才可靠。
7：血糖测量
血糖相对比较复杂，有几个思路：
1：纯PPG预测
2：PPG+ECG融合预测
8：PPG信号干扰因素
光学噪声：特别需要考虑运动过程中产生的噪声
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。
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。
9：光源选择
为什么大多数传感器都是采用的绿光呢？
我们先看看光谱的特点，从紫外线到红外线的波长是越来越长的。
绿光作为光源是考虑到：
1：皮肤的黑色素会吸收大量波长较短的波
2：皮肤上的水份也会吸收大量的UV和IR部分的光
3：进入皮肤组织的绿光(500nm)-- 黄光(600nm)大部分会被红细胞吸收
4：红光和接近IR的光相比其他波长的光更容易穿过皮肤组织
5：血液要比其他组织吸收更多的光
6：相比红光，绿（绿-黄）光能被氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收
总体来说，绿光-- 红光能作为测量光源。早起多数采用红光为光源，随着进一步的研究和对比，绿光作为光源得到的信号更好，信噪比也比其他光源好些，所以现在大部分穿戴设备采用绿光为光源。但是考虑到皮肤情况的不用（肤色、汗水），高端产品会根据情况自动使用换绿光、红光和IR多种光源。
