PPG信号的影响因素有哪些？

PPG信号容易受到各种 因素的影响。

1.影响 PPG 信号的生理因素

1.1 运动及运动伪影

血氧仪最早用于手术室中对麻醉患者的血氧检测。但现在，血氧仪被越来越多地集成在各 式各样的可穿戴式设备上，以方便人们可以在各种使用场景下测量PPG信号。然而，人体的各 种有意识和无意识的运动会一定程度上干扰PPG信号的检测。 运动伪影是指在进行医学信号检测时，由于患者身体内部或者整体自主运动（如行走、身 体晃动等）、不自主运动（如肠胃蠕动、吞咽、肌肉颤动等）或扫描设备与患者之间的相对运 动（如运动时手环与手腕的间隙变化等）造成的信号失真现象。

运动伪影对脉搏血氧仪的影响可能是显著的。在血氧检测方面，Petterson等人于2007年 讨论了运动伪影可能影响血氧检测的两种模型。第一种模型假设，由于运动引起的红光和红外 信号之间路径长度变化所产生的噪声，会同等地叠加在红光和红外信号上。因此，随着噪声的 增加，R比值（血氧指标，为红光交流直流比与红外光交流直流比的比值）接近1，对应于恒 定的SpO2读数，通常约为85%。进而血氧仪输出恒定血氧值，有较大检测误差。第二种模型 假设低氧血液在静脉中晃动，导致静脉血局部扰动，增加了PPG信号的交流分量，使设备无法 区分动脉和静脉脉动，从而影响了R比值的计算。

上述的路径长度变化模型，可以用传感器相对皮肤的相对运动和接触力，以及传感器的 重量来解释。同时，由于传感器会受到静脉脉搏的影响，传感器的放置位置也会影响检测的信 噪比。造成运动伪影的因素包括：传感器重量、传感器相对于皮肤的相对运动、在运动过程中 传感器与皮肤之间形成的空气间隙、传感器与皮肤之间的接触力变化，以及传感器在身体的位 置。这些因素产生的运动伪影将影响PPG信号测量的偏差、方差以及信噪比。

1.2 精神状态

研究表明，心理压力会增加PPG信号的脉搏变异性。一般来说，心理压力的特征可大致分 为状态特征和特质特征。其中状态特征通常表现在行为上，可以通过各种心理测量量表进行评 估，如DASS、压力指数等。而特质特征则表现在各种生理信号中，例如脑电图、呼吸、心电 图、皮肤电活动、血压、肌电图和光电容积描记（PPG）。这些信号与自动神经系统的活动有 关，自动神经系统的活动是由心理压力触发的，通常被称为“战斗或逃跑”反应。 自动神经系统进一步分为两个分支，即交感神经系统和副交感神经系统。交感神经系统 的激活与心率的增加有关，而副交感神经系统的激活与心率的减少有关。自动神经系统的两个 分支之间的变化可通过心率变异性（HRV）进行评估。因此，由于PPG信号的脉搏率变异性（ PRV）与HRV高度相关，心理压力会对PPG信号产生影响。

由于心理压力和PPG的脉搏变异性有直接关联，目前有许多研究已经尝试使用PPG信号进 行心理压力检测和分类。传统的心理压力检测通常使用由ECG导出的心率变异性（HRV）。然 而，为了追求普适性、实时性和非侵入性，从而使被测者能够不受任何不便地进行检测，基于 PPG的检测算法已成为更主流的研究课题。

1.3 体温

 PPG测量精度的重要的限制因素是温度，这一点经常被忽视。过往研究认为，局部皮肤和 室温条件对脉搏血氧仪中PPG质量的有影响，会严重影响基于PPG信号的信息提取精度。例如， 在进行SpO2测定时，低温条件显著降低PPG信号质量和所测得的SpO2估计值的准确性。温暖的温度条件显著提高了PPG信号的质量。提高幅度高达4倍，并提高了SpO2的估计精度。 因而，需要保持温暖的温度条件才能进行可靠的PPG采样。 在使用指夹式血氧仪测量时，冰冷的手指可能会提供不准确的脉搏血氧计读数。不过，像 摩擦双手这样的简单解决方案可能会解决这个问题。然而，手指自然非常冷的人或室温保持在 20°C的重症监护病房的患者都可能受到这一问题的影响。 此外，皮肤表面温度变化对血压、心率、心搏出量和总外周血阻力(TPR)等心血管特征有 影响。因此，必然会影响到同样反应心血管和脉搏特征的PPG信号。

1.4 腕部肌肉状态

PPG信号在腕部受到肌肉状态的影响是一个重要但较少研究的领域。肌肉活动引起的微小 运动可以导致所谓的组织运动伪影，这种现象在手腕PPG可穿戴设备中尤为突出。这些微运动 改变了PPG传感器与皮肤组织之间的接触力和耦合，进而改变了反射光的光路，从而掩盖了真 实的心率信号。尽管运动伪影通常通过加速度计检测，但组织运动伪影并不总是被加速度计所 捕捉到，这增加了准确估计心率的挑战性。 因此，在开发和使用手腕PPG设备时，需要认真考虑肌肉状态对信号的潜在影响。未来的 研究可以进一步探索如何减少或校正这种运动伪影，以提高PPG技术在运动监测和健康诊断中 的精确性和可靠性。

1.5 随时间的自身变化

PPG信号随时间的自身变化规律主要体现在心脏周期和外部因素的综合影响上。心脏周期中 的每一次收缩和舒张都会引起动脉血液容量的变化，从而在PPG信号中表现为周期性的波动。这 些波动的频率和幅度可以反映心率和血流动力学状态。此外，PPG信号还会受到呼吸、血压变化、 体温以及情绪波动等外部因素的影响。这些外部因素会引起PPG信号的短期和长期变化。例如， 呼吸会引起信号中小幅度的周期性变化，而血压的变化可能会导致信号幅度的显著波动。

随着时间的推移，PPG信号还可能受到传感器位置移动、皮肤接触状态变化以及环境光干 扰等因素的影响，从而导致信号质量的不稳定。因此，理解和分析PPG信号的时间变化规律， 对于准确解读生理参数和提高监测设备的可靠性具有重要意义。 

1.6 皮肤特性

肤色对PPG信号会产生一定影响，主要体现在光的吸收和散射特性上。不同肤色的个体 对特定波长的光的吸收能力不同，较深的皮肤吸收绿光和红光更多，而较浅的皮肤则吸收较 少，直接影响了PPG信号的强度和清晰度。此外，皮肤色泽不同还会导致光在皮肤组织中的散 射路径差异，使得从血管反射回来的光信号更加复杂和多样化。深色皮肤通常会引入更多的 环境光干扰或背景噪音，增加了信号的噪音水平，从而使得PPG信号的分析和解读更加复杂和 挑战性。 因此，当使用PPG技术进行生理监测或医疗诊断时，需要充分考虑和校正不同肤色对信 号的影响，以确保数据的准确性和可靠性。研究表明，特别是在体育活动中，皮肤黑色素较 高的个体可能会影响可穿戴设备测量的准确性，原因是肤色深可能导致PPG传感器发射的光被 吸收较多。同时，肥胖体质可能对信号也有影响，皮肤较厚可能导致PPG传感器发射的光线难 以抵达血管。 为了优化PPG技术在不同人群中的应用，未来的研究可能需要进一步考虑肤色和其他个 体特征的综合影响，以提高其在生理监测和医疗领域的精确度和适用性。

2.影响 PPG 信号的外部因素

2.1 接触压力

PPG信号的质量在很大程度上受传感器与皮肤之间接触压力的影响，这在身体活动和自由 生活条件下尤为明显。接触压力不仅影响传感器与测量部位之间的相对运动，特别是在身体活动期间，还会改 变动脉的几何形状，导致压缩变形。此外，传感器与皮肤之间的接触压力会改变皮下灌注， 最终阻碍微循环血液流动。这些变化会导致PPG波形峰值的失真，并可能引发心率计算的错误， 限制了基于PPG的设备在生理监测中的实际应用。 理论上，在跨膜压力条件下，可以获得振幅最高的最佳PPG信号，但不足或过量的接触压力 会导致信号振幅低、信噪比差以及波形失真。过往研究还表明，接触压力对SpO2也有影响， 随着接触压力的增加，SpO2会降低。然而，由于受试者在年龄、性别和动脉硬度等方面存在 广泛变异性，评估合适的接触力范围仍然具有挑战性。因此，为了确保PPG传感器在各种条件 下的精度，需要仔细调节和优化传感器与皮肤之间的接触压力。

2.2 佩戴位置

PPG信号的质量和准确性在很大程度上受到血氧仪佩戴位置的影响。不同部位的皮肤厚度、 血流量和组织结构各异，这些因素都会对PPG信号产生显著影响。例如，手指和耳垂由于血流丰 富且皮肤较薄，通常能够提供更强的信号和更高的信噪比。而手腕和前额等部位，由于皮下组 织较厚，血流量相对较少，可能会导致信号较弱，噪音较大。此外，佩戴位置的稳定性也至关 重要，手指和耳垂相对较少受到运动伪影的影响，而手腕在活动中易产生移动，导致信号失 真。因此，为了获得最准确的PPG信号，选择适当的佩戴位置至关重要，应优先选择那些血流丰 富且稳定的部位，如手指或耳垂。 需要说明的是，最佳的血氧仪佩戴位置随需要解决的问题而不同。在血氧测量问题中，不 同身体部位测得的PPG信号在呼吸频率的准确性上存在显著差异。在正常呼吸条件下，手臂、前 额和腕下方的PPG信号偏差较小，信号质量较高，而其他部位则偏差较大。尤其是前额部位测得 的PPG衍生呼吸频率与参考呼吸频率之间的线性关系最强，其次是耳垂、手指、手臂和手腕。在 深呼吸条件下，除前额外，所有测量部位的呼吸频率偏差均不显著，手指位置的呼吸频率偏差 最小且一致性最好。因此，对于正常呼吸模式，前额是最佳测量部位，而在深呼吸模式下，手 指是最佳选择。这些发现表明，优化血氧。

2.3 环境光照 

PPG在实际应用中受到环境光照的显著影响，这是一个重要的技术挑战。环境光照的变化直 接影响PPG传感器接收到的光信号质量和稳定性。特别是在户外或光线强烈的环境中，来自太阳 光或人工光源的强烈光线可以混淆或干扰传感器接收的皮肤反射信号。 根据Shafer的二色反射模型，PPG信号由与照射光照强度成正比的心率相关部分和环境噪 声组成。环境光照增加会导致背景噪音的增加，这些噪音可能掩盖或混淆真实的脉搏信号，影响 心率和其他生理参数的准确测量。此外，环境光照的频繁变化还可能引起传感器信号的漂移，使 得信号分析和数据解释变得更加复杂。 远程光电容积脉搏波（rPPG）信号的采集受环境光影响更大。环境光照的变化不仅会影响 背景噪声的强度，还会使得照射光照强度随时间不规则变化，进而引起PPG信号产生不规则形变 和漂移。 为了克服环境光照对PPG技术的负面影响，研究人员不断努力改进传感器设计和信号处理算 法，以提高其抗干扰能力和环境适应性。这些努力包括优化传感器的灵敏度和动态范围，采用滤 波技术来减少背景噪音，以及开发智能算法来自动校正或补偿环境光的影响。 综上所述，理解和管理环境光照对PPG信号的影响至关重要，这将直接影响到PPG技术在健 康监测、运动科学和医疗诊断等领域的应用可靠性和精确性。