光源和光电传感器是PPG技术实现的基础，它们共同作用于捕捉血液容积的微小变化，从而 为非侵入性生理监测提供了一种有效手段。
Photoplethysmographic（PPG），即光电容积脉搏波描记法，是一种以LED光源和探 测器为基础，通过测量照射在人体皮肤表面被血管等组织反射回的光的衰减程度，进而记录 血管的搏动状态，同时测量脉搏波的一种测量人体生理数据的方法。PPG最早在20世纪30年 代时出现，具有简便、低成本、无创等特点。这项技术最早被用于照射人体的手指和脚趾， 将其结果与X光等透射光的检查结果进行比较确认。近20年内，在长期观察中确认了该技术的可 行性后，PPG相关的研究逐渐增加，测量点位从单个点位扩展到多个，测量方式也从接触式发展 出了非接触式，其应用范围逐渐从测量循环系统各类生理指标扩展到各方面体征，如呼吸系统 等。
在每次脉冲中，PPG波形包括收缩峰（systolic peak）、二尖波（dicrotic notch）和舒 张峰（diastolic peak）。收缩峰（红点来源于心脏的收缩活动（contraction activity of heart）二尖波（绿点）来源于主动脉瓣的关闭（closure of the aortic valve）舒张峰（黄点） 则是指血液流入外围循环。
当我们去到医院，通常都需要经历各类检查，如体温、心率、血压、呼吸频率、血氧饱 和度等，这些反映人生命体征的指标能帮助本人判断当前状态，有助于旁人判断是否应采取 救助，便于就医时医护人员判断病人是否危急。目前，各类生理学信号的测量方式应用了流 体力学、光学等多种理论的知识，需要多种器械配合，如使用红外测温枪或水银温度计测量 体温，用水银血压计测量收缩压及舒张压，使用指压法简单测算心率，用目测法估算呼吸频 率、评估末梢血液循环，体内探针法测定各类血流动力学参数。而这些指标都可以通过PPG技 术有所反映，可以利用PPG信号的周期计算心率，周期变化率测算心率变异性，通过不同波长 的光的吸收率之比测量氧合血红蛋白及去氧血红蛋白的比例从而得出血氧饱和度，进一步可 关联PPG基线变化与血压、呼吸频率的关系，PPG信号的上下极差可用于判断末梢血供情况。 PPG信号以一种独特的方式，用光电信号记录人面部血管搏动、血流速度、血液状态，将这些 原本需要多个设备和一定医学储备来进行测量的生理信号，提供一站式测量方案，减少普通 人自行测量相关数据的器材需求，降低人们关心自己身体健康的难度。
以生命体征数据为基础，研究者不断探索PPG信号的效用，在疾病预测上取得了不菲的成 果，如心血管疾病。心电图（ECG）是诊断心脏疾病的重要方式，心电图曲线可以提示如房颤、 室颤、心率失常、陈旧或新发心肌梗死、传导阻滞等多种心肌相关的疾病。同步ECG与PPG信 号可以发现，PPG信号同样可以反映心电特征，通过总结PPG信号的异常，可以提示人可能存 在心脏疾病，从而做到对心脏疾病的早发现、早诊断、早治疗，减缓慢性疾病的病情发展， 对疾病的急性发作作出预警，提高发病患者的生存率。
2.1. 光源与光电传感器
光源和光电传感器是PPG技术实现的基础，它们共同作用于捕捉血液容积的微小变化，从而 为非侵入性生理监测提供了一种有效手段。光源和光电传感器在采集过程中的工作涉及到光信号 的发射、传播、接收与转换，也会受到多种因素的影响。为了获取优质的光学信号，选取合适的 光源与相应的光学传感器是PPG信号采集的重要一环。
通过光源采集PPG（光电容积描记）信号的过程，是利用光在人体组织中的吸收和散射特性 来无创监测血液容积变化的一种技术。具体而言，该过程涉及使用光线照射人体的透光部位，如 指尖或耳垂。光线穿透皮肤后，会部分被血液中的血红蛋白吸收，尤其是动脉血液，因为动脉血 氧合程度高，吸收光的能力随心跳周期中血液容积的变化而变化。未被吸收的光线则反射或散射 回传感器。通过检测这些光强度的微小变化，可以间接反映心脏搏动引起的血容量波动，从而提 取出PPG信号。此信号包含了心率、血氧饱和度以及血管弹性等生理信息，广泛应用于健康监测 设备，如智能手环、脉搏血氧仪等。值得注意的是，为了减轻后续信号处理（尤其是去除信号中 的噪声）的负担，以及考虑到小型设备续航问题，用于采集PPG信号的光源对波长、光强、稳定 性以及功耗均有较高的要求：
目前PPG信号采集使用的主流光源主要分为3种，一是红光（600-700 nm，常用660 nm）， 这是由于红光能够穿透较深的皮肤和组织，适用于测量较深层的血流变化；二是红外光（ 700-1000 nm，常用940 nm），和红光类似，红外光也具有良好的穿透能力，可以提供更高的信 噪比，尤其是在运动场景下；三是绿色光（500-600 nm，常用530 nm），和上述两种光不同，绿 色光更容易被皮肤和血液吸收，适用于浅层血流变化的测量，如今我们常见的智能手表、手环使用 的便是这类光源。
采集过程中对光源的强度要求很高，其原因在于需要提高信号质量与信噪比。高强度的 光源可以确保足够的光穿透组织深层，即使在血流微弱或者皮肤色素、血管深度不一的情况 下，也能保证有足够的信号被光电探测器接收。这样不仅增强了信号的稳定性，减少了外界 干扰（如运动伪迹、环境光线变化）的影响，还提高了测量的准确性和可靠性，确保了数据 采集的高质量与临床应用的有效性。
光源的稳定性对PPG信号的质量有显著影响。由于PPG信号的采集主要依靠的是光源和光 电传感器的协同运作，不稳定的光源会给光电传感器接收到的信号中引入噪声，最坏的情况 下，捕获到的信号的周期都有可能受到影响，这将进一步导致后续计算得到的心率等依赖于 信号周期性的生理信号出现大的误差。
在可穿戴设备中，光源的功耗是一个重要考虑因素。可穿戴设备电池容量本身有限，光 源功耗过高将导致设备续航能力下降，进一步使得设备其他功能的部署受限，使用者体验不 佳。选择低功耗的LED光源可以有效避免上述问题的出现。
光电传感器是PPG（光体积描记法）信号采集中必不可少的采集工具，影响光电传感器 PPG信号采集质量的因素很多，例如传感器自身特性，如光波长选择、灵敏度、响应速度能够 直接影响采集效果，次要因素也包括传感器与皮肤接触的紧密度、个体差异，如肤色深浅、 血管分布、血液特性等；运动伪迹，身体移动造成的信号干扰、环境光干扰等等都会影响PPG 信号的形态和强度。 因此，优化传感器设计、采用有效的信号处理算法以及合理用户指导对于提高PPG信号采 集的准确性和稳定性至关重要。常用的光电传感器主要有硅光电二极管、气相外延光电二极 管、InGaAs光电二极管等，不同传感器有其不同优缺点。
2.2 光线发射
光源应尽可能贴近皮肤，以减少光在皮肤表面散射和反射带来的影响，提升测量精确 度。设计中常使用柔性材料或特定形状的外壳，使设备能更好地贴合皮肤。
2.3 光传播和检测
PPG信号的采集方法主要分为两种：透射法和反射法。
透射法主要利用光的吸收原理。当光通过人体组织时，不同波长的光会被血液中的成分 以不同的程度吸收。通过检测透射光的强度变化，可以推算出血液中的生理信息。透射法光 线的传播主要分为三个阶段。首先，光源发出光线后，光线穿过皮肤的表皮和真皮层，这些 层中含有的色素（如黑色素）会吸收、散射部分光线。之后，光线继续穿透到皮下的血管层， 血液中的血红蛋白（Hb）和氧合血红蛋白（HbO2）分别吸收大量红光与近红外光，同时， 由于心脏的泵血，血液量在血管中周期性变化，引起光强周期性变化。最终，光线穿出皮肤， 由光电传感器接收并转化为电信号。
反射法主要利用光的反射原理。当光照射到人体组织表面后，部分光会被反射回光电传感 器。通过检测反射光的强度变化，可以推算出血液中的生理信息。反射法光线的传播过程与透 射法类似，主要的不同在于反射法收集的是人体组织（主要为血管）的反射光，反射光强度会 随血管中血液量的变化而变化——当心脏收缩时，动脉血流量增加，血液吸收的光增加，反射 光强度下降。
2.4 信号处理
PPG信号的原始数据往往受到多种因素的影响，需要进行一系列的信号处理步骤以获得清 晰的波形和准确的生理参数。
