光电容积脉搏波（PPG）技术作为一种非侵入式生理参数监测方法，在医疗监测领域已得到广泛应用，如对心率和血氧饱和度的监测。尽管取得了显著进展，但PPG技术在精确性、抗干扰能力和多参数监测方面仍面临诸多技术挑战。

PPG技术的原理是利用光的吸收和散射特性来监测血液动态，通过发射光源照射皮肤，利用探测器捕捉经血液反射或透射回的光，分析光强度的变化来反映血液流动特性。

光线穿过组织时，会被组织中的血液吸收。血红蛋白（Hb）和氧合血红蛋白（HbO2）是血液中主要的光吸收分子，具有波长依赖的吸收特性。

光在不同组织中的传播行为差异，特别是动脉血液在心脏搏动周期中的容积变化，使得光的吸收特性随之变化，从而引起通过组织的光强度的周期性变化。PPG技术通过分析波形的时间特征和幅度变化，可以监测心率、血氧饱和度以及评估血管健康状况和血液循环效率。

PPG技术在可穿戴医疗设备中的应用

在心率和血氧饱和度监测中的应用

心率和血氧饱和度监测是PPG技术在可穿戴设备中最常见的应用。这些设备通过分析PPG波形变化，实时监控和记录用户的心率和血氧水平。PPG传感器根据光源与探测器的相对位置可分为两种类型：反射式和透射式，它们在可穿戴设备中的应用各有特点。

反射式PPG传感器 是将光源和光探测器置于同一侧，光从光源发出后照射到皮肤上，然后由同侧的探测器捕捉反射回来的光。这种布局使得反射式PPG传感器特别适合用于手腕、前臂等部位的监测设备中。如Fitbit等智能手环就采用了类似技术，实现日常活动和健康监测的连续性。

透射式PPG传感器 光源和探测器分别位于皮肤的两侧，光穿过皮肤后被对面的探测器捕获。这种配置通常用于指尖、耳垂等部位，适用于血氧饱和度的测量。传统的脉搏血氧仪，如Masimo和Nonin生产的设备，大多采用透射式PPG传感器，通过夹在用户的指尖或耳垂上来监测血氧饱和度。这些设备在医疗和家庭健康监测中有广泛的应用。

在心律不齐检测中的应用

PPG技术可以有效地用于检测心律不齐，如房颤（AF）。研究人员通过处理PPG信号以提取与心电图（ECG）中相似的心率变异性（HRV），并利用深度学习技术分析信号中的特定模式（如连续差分的均方根），高精度区分AF和正常窦性心律。利用智能手机摄像头分析PPG信号也已被多项研究证明有效。

此外，研究人员目前已经开发了集成PPG和ECG传感器的可穿戴设备。这些设备能够可靠地检测心律不齐，特别适用于门诊环境中的持续心律监测。

在睡眠质量分析中的应用

PPG技术可以通过监测夜间的心率和血氧变化，为分析用户的睡眠质量提供数据支持。睡眠质量分析包括区分睡眠的不同阶段、睡眠连续性监测、睡眠呼吸障碍的识别、睡眠质量的整体评估、生物节律分析（如体温和皮质醇水平变化）以及提供个性化睡眠建议。通过监测睡眠期间的心率、心率变异性等生理信号，PPG技术能够帮助用户了解自己的睡眠状况，并为改善睡眠质量提供指导，提高睡眠质量和日间活力。

在心血管疾病预测中的应用

心血管疾病预测是PPG技术在可穿戴设备领域的一项重要应用。高级算法和机器学习技术能够从PPG信号中识别出心血管系统的微小变化。这些变化可能是高血压、动脉硬化等疾病的早期信号。一项在美国进行的研究发现，通过长期追踪PPG数据，可以揭示与心脏健康相关的生理模式变化，如心率波动性的增加可能与心血管健康风险的增加有关。

为了有效利用PPG技术进行心血管疾病预测，研究人员开发了基于时间序列分析、频谱分析和特征学习的复杂算法。这些算法能够处理和分析大量的PPG数据，识别出潜在的健康风险信号。

在慢性疾病管理中的应用

PPG技术在监测慢性阻塞性肺病（COPD）患者的呼吸功能和血氧饱和度方面极具应用价值。一项在美国进行的研究发现，PPG设备能有效监测患者的血氧饱和度，及时发现因COPD引起的低氧血症状况。此外，通过分析PPG信号中的血流动态变化，研究人员能够评估患者的循环系统功能，进而全面了解其整体健康状况。

在糖尿病管理中，PPG技术同样显示出潜力，尤其是在监测与糖尿病相关的微血管病变方面。PPG技术可通过监测血液容积的变化，评估糖尿病患者的微循环状态。一项在中国进行的研究使用PPG技术监测糖尿病患者的血流特征，结果表明这种监测有助于早期识别微血管功能受损的迹象。这对于预防糖尿病并发症能起到关键作用。

在连续血压监测中的应用

尽管直接从PPG信号中准确测量血压存在挑战，但近年来的研究进展显示，通过结合PPG信号和其他生理参数（如心率变异性、脉搏传输时间等），可以非侵入式地估算血压。

研究人员已开发出多种算法，从PPG信号中提取与血压相关的特征，并利用机器学习技术构建模型来预测血压值。在欧洲的一项研究中，研究人员通过结合深度学习技术和PPG数据，成功预测了参与者的血压变化。此外，一项在亚洲进行的研究利用PPG技术监测了高血压患者的血压波动，发现PPG技术能够有效地实时监控血压。

连续血压监测对于早期识别高血压和其他心血管疾病具有重要意义。通过可穿戴设备连续监测血压，不仅可以为用户提供及时的健康反馈，还能帮助医生优化治疗方案。

在血流动力学监测中的应用

血流动力学监测是PPG技术在医疗领域的一个重要应用，尤其是在评估心血管系统的功能和血管健康状态方面。PPG技术能提供关于血液在体内流动的重要信息，如血液流速、血管弹性以及心脏泵血效率等。这种非侵入式、实时的监测方法对于早期诊断心血管疾病、评估治疗效果以及指导临床决策具有重要价值。通过分析PPG波形的各个特征，例如波形的上升时间、脉搏波振幅和波形变异性，研究人员可以推断血管的硬化程度、血液循环状态以及潜在的心血管疾病风险。一项在德国进行的研究使用PPG技术监测血管弹性，成功地评估了动脉硬化的早期征兆。

近年来，结合先进的信号处理算法和机器学习模型，PPG技术在连续监测和评估血流动力学方面取得了显著进展。美国的一项创新研究开发了一种基于深度学习的PPG分析模型，能够实时准确地监测和分析血液流动参数。此模型已经在临床试验中显示出对提前诊断心脏病的高效性。

在卒中风险预警中的应用

卒中风险预警是PPG技术在医疗领域的新兴应用。通过分析PPG波形的不规则性，可以非侵入性地识别出心房颤动事件，从而及时警告患者和医护人员采取预防措施。例如，一项在日本进行的研究利用PPG技术成功识别了心房颤动事件，并通过此技术监测发现的不规则心率模式预测了患者的卒中风险。

此外，结合先进的算法和人工智能技术，PPG数据分析可以提供更精确的卒中风险评估，包括但不限于通过评估动脉硬化程度、血压变化和心率变异性来预测卒中风险。在欧洲，研究人员开发了一种算法，通过分析PPG信号中的血压和血管弹性的变化，对卒中风险进行了有效预测。

在败血症早期预测中的应用

败血症是一种严重的全身性感染反应，若不及时治疗，可能迅速恶化，导致器官衰竭和死亡。PPG技术通过分析血液流动的变化，可以帮助医疗工作者识别出潜在的败血症早期信号。

研究表明，败血症会影响微循环和血液的氧合水平，这些变化可以通过PPG技术进行监测。例如，一项在英国进行的研究通过对PPG信号进行深度分析，结合机器学习模型，成功地识别出与败血症发展相关的特定波形模式和变化趋势。此外，美国的一项研究也发现，在ICU环境中，通过持续监测PPG信号，医疗团队能更早地预测和应对患者可能的败血症症状。

PPG技术面临的挑战及发展趋势

PPG技术面临的主要挑战包括数据准确性的提高和环境干扰的最小化。在用户进行剧烈运动或处于复杂光照条件下时，PPG信号的准确度往往受到显著影响。此外，不同个体之间的生理差异也会影响信号的一致性和可靠性。为了解决数据准确性问题，研究人员正在开发更先进的信号处理算法。这些算法利用机器学习技术从复杂的PPG信号中提取出更准确的生理参数。

多传感器融合技术是另一种提高PPG技术准确性的方法。通过整合来自加速度计、陀螺仪及其他传感器的数据，可以更精确地校正由于用户移动引起的误差，有效提高监测数据的准确性和稳定性。

PPG技术在可穿戴医疗设备中的应用展现了先进技术与个人健康管理相结合的巨大潜力。

个性化健康监测 随着数据处理能力和算法的不断进步，PPG技术在可穿戴设备中的应用将变得更加个性化。可穿戴设备将不仅能够监测基本的生理参数，还能根据用户的健康状况、生活习惯和环境因素提供个性化的健康建议、疾病风险预测及早期预警。挖掘PPG数据中的深层健康信息，以及如何将这些信息转化为个性化的健康管理策略，是未来研究的重点。

无线健康生态系统 PPG技术的进步预示着无线健康生态系统的建立。可穿戴设备、智能手机应用、云数据存储和分析平台将形成一体化的健康管理网络，用户能够实时接入自己的健康数据，同时医疗服务提供者可以远程监测患者的状况，实现更高效、个性化的医疗服务。

多参数综合监测 未来的PPG技术发展将不限于监测单一的生理参数，而是向多参数综合监测发展。通过整合PPG技术与其他生物信号监测技术（如ECG、温度、湿度传感器等），可提供更全面的健康信息。

用户体验与设备设计 提高可穿戴设备的舒适性和用户体验是另一个重要的发展方向，包括减小设备尺寸、延长电池寿命和提升数据传输效率在内的设计优化等。同时，开发更灵活、更适应不同人群使用需求的可穿戴设备也是未来的一大重要方向。

（摘编自中国医药集团有限公司主管、中国科学器材公司主办的《现代仪器与医疗》2024年第30卷第3期）

(责任编辑：周雨同)