穿戴认证-PPG心率模组
穿戴认证-PPG心率模组
> 来源：专家题库 > 一、华为黑科技讲解 > 10. PPG心率模组
PPG 概述
光电容积描记法（PhotoPlethysmoGraphy），是用光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法。
- 不需要复杂而昂贵的仪器设备 - 操作简单易于实现，所用元件常见，结构简单 - 具有无创伤和适应性强等诸多优点 - 应用领域由人体循环系统发展到呼吸系统（血压、血氧、脑氧、肌氧、血糖、微循环等无创检测）
PPG 技术结构
| 结构 | 说明 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 透射式 | 光源和探测器放在身体部位两侧 | 手指、耳垂等光信号能穿透的部位（测量位置受限） |
| 反射式 | 光源和探测器放在身体部位同侧 | 测量位置灵活，适合多个身体部位（手机和穿戴式主流方案） |
工作原理
PPG 是一种将光照进皮肤并测量因血液流动而产生的光散射的方法。
四大技术元件
1. 光发射器——通常至少由两个 LED 构成，将光波照进皮肤内部 2. 光电二极管和模拟前端（AFE）——捕获折射光，将模拟信号转换成数字信号 3. 加速计——测量运动，与光信号结合作为 PPG 算法输入 4. 算法——处理 AFE 和加速计信号，生成运动容错心率数据
简化过程
光 → 电 → 数字信号
为什么用绿光？
| 因素 | 影响 |
|---|---|
| 皮肤黑色素 | 吸收大量波长较短的波 |
| 皮肤水分 | 吸收大量 UV 和 IR 部分的光 |
| 绿光(500nm)-黄光(600nm) | 大部分被红细胞吸收 |
| 红光和接近 IR 的光 | 更容易穿过皮肤组织 |
| 血液 | 比其他组织吸收更多的光 |
| 绿(绿-黄)光 | 能被氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收 |
> 绿光作为光源得到的信号更好，信噪比更优。高端产品会根据皮肤情况（肤色、汗水）自动切换绿光、红光和 IR 多种光源。
PPG 信号处理
信号组成
当光透过皮肤组织反射到光敏传感器时： - 肌肉、骨骼、静脉等组织对光的吸收基本不变 - 动脉里血液流动 → 对光的吸收有变化
→ 信号分为 DC（直流）和 AC（交流）两部分 → 提取 AC 信号反映血液流动特点
时域分析
对原始 PPG 信号滤波处理 → 得到一定时间内波峰个数 → 算出心率值 （假设连续采样5秒，波峰个数为 N，心率 = N × 12）
频域分析（FFT）
对 PPG 信号进行 FFT 变换 → 识别心率主频 f → 心率 = f × 60
血氧测量（补充）
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，通过程序处理算出比值得到血氧值。
关键：需要"公平对待"两种光源的 PPG 信号（处理 DC 部分使其相等），这样计算出来的 Hb 和 HbO₂ 比例才可靠。
PPG 心率模组五代演进
| 代际 | 特点 |
|---|---|
| 第一代 | 光路简单，容易集成，只能单次心率，信号量识别不足，不能支撑连续测量 |
| 第二代 | 自研模组，2路LED/PD/电路自研搭建，稳定性不足、体积大、功耗大 |
| 第三代 | 小型化，数据通道少，可支撑业务不足 |
| 第四代 | 2路LED/2个PD，多通道，信号效率和功耗提升 |
| 第五代 | 单LED/4PD，信号效率显著提升，抗干扰/多通道，整体信号质量不足 |
如何提高信号质量
1. PD 大小、位置、灵敏度、个数 2. LED 发光强度、可调范围 3. 整体模组效率、抗干扰、光路、防噪 4. 模组的凸起、透镜的选择 5. 通道个数（为将来应用预埋）
常见问题：黑色皮肤测不出心率
原因：黑色皮肤对入射光吸收多、接收少，AC分量更少，PPG信号差，导致算法无法计算。
解决方法：通过调节电流增大入射光强度，提高入射光频率，保证反射回来的光强足够大，便于算法分析处理。
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