如何提高 PPG 技术使其应用到更多医疗场景

PPG 技术——光电容积脉搏波描记法早就被广泛应用，最常见的医疗设备之一——血氧仪，使用的就是透射式PPG技术。而在今年通过二类医疗器械认证的“智能手表”使用的是反射式PPG技术，尤其值得关注的是此款产品采用 PPG 技术进行穿戴式血压监测。

目前，PPG 技术在消费类健康产品已得到大量应用，如智能手环、健身追踪器（臂带）、智能耳机、健康监测贴片、智能戒指、智能服装、小型家庭健康监测设备等。随着应用场景的迅速拓展，精度更高、功耗更低、体积更小的 PPG 技术也已出现。尽管PPG技术本身及其应用仍面临一些挑战，令人兴奋的是，我们已经看到了一些解决方案…

PD 用于接收绿光、红光或近红外光。根据 LED 的波长选择合适的 PD 响应波长范围，确保能有效接收发射光信号的反射或透射光。

PD 根据其材料、响应波长和灵敏度的不同有不同的选择，而目前硅光电二极管（Silicon Photodiode）是 PPG 中最常用的光电二极管类型，硅材料的 PD 响应波长范围较广，一般在 300-1100nm 范围内。这种 PD 具有较高的灵敏度和响应速度而且成本较低。而砷化镓光电二极管（Gallium Arsenide Photodiode）、PIN 光电二极管（PIN Photodiode）、雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）也有在 PPG 中应用。

一般为了提高算法的准确性，去除运动等原因引起的数据变化，智能穿戴的产品会加装一个 G-sensor，结合 G-sensor 的数据对其他算法进行优化。

通过分析心率的变化，PPG 可以用于评估自主神经系统的活动，帮助用户了解压力水平和身体恢复状态。目前的算法已经和医疗级别的相媲美。

PPG 传感器可以用于检测睡眠模式，通过分析心率和血氧水平的变化，帮助评估睡眠质量，以及睡眠呼吸暂停综合症。目前的算法也已经和专业设备不相上下。

结合加速度计，PPG 可以帮助分析运动强度和类型，从而更准确地估算卡路里消耗，或者久坐检测和步伐检测。

通过心率变异性和其他生理指标的分析，PPG 可以用于评估用户的情绪状态和压力水平。目前的算法也已经有一定的准确度。

虽然目前的精确度和可靠性还在进一步优化，一些设备已经开始尝试利用 PPG 信号结合算法来估算血压，并取得了不错的成绩。但是目前仍然无法和气压式血压计达到相同的精度。

研究者们正在探索 PPG 在某些疾病（如心血管疾病、皮肤病）早期检测中的应用潜力。

血糖监测值得特别关注，PPG 的光信号受到血液成分（如血糖浓度、血氧浓度、血红蛋白浓度）变化的影响。血糖浓度的变化会对光的吸收和散射产生一定影响。但这种影响非常微弱，通常难以与其他因素（如皮肤厚度、血流量、心率变异性等）区分。

因信号微弱以及多重干扰因素，以及个体差异性、光学器件的局限性、算法模型的复杂性等因素， 目前基于 PPG 技术的血糖监测尚未达到产品化水平。

目前有不少科学家利用多光谱 PPG 测量，融合多模态传感器，基于机器学习和深度学习的模型并大规模展开临床验证，希望在不久的将来可以形成突破。

这些应用的实现依赖于 PPG 信号的准确采集和复杂的算法分析，同时也受到传感器技术、数据处理能力和个体差异等因素的影响。随着技术的进步，PPG 的应用范围有望进一步扩大，并提供更为全面的健康监测功能。

虽然 PPG 进一步应用到医疗或类医疗方向，还有很多问题需要解决。然而可以预见的是，在新材料、新工艺、人工智能的加持下，PPG 还有潜力可挖。甚至结合短波红外线 SWIR 成像技术和治疗技术的发展，可以往诊断及治疗领域拓展。

通过以上这些具体技术方法的实现，加上 PPG 技术的可扩展性和无创的特点，不仅可以广泛应用于慢病管理、运动监测和远程健康管理，在医疗的重症监护，类医疗领域的疾病预防和筛查、术后恢复监测和康复训练也有广阔的用武之地。