2023年2月6日

脈搏感應器PPG的應用(1):PPG是什麼

現在說到量心跳的方法,大家第一個想到的就是用智慧手表。其實智慧手錶量測的是脈搏,而其量測的方式為光電體積描記法 (Photoplethysmography),簡稱PPG。

wikipedia來看,這個字的plethysmos來自希臘,有填滿、變大的意思。即為用光偵測體積增加的情形並描繪出來。

就如同我們透過一杯果汁看光源,當杯子的體積越大,裝的果汁越多,能夠透過的光線就越少。同樣的道理,如果站在跟光源同側去看果汁反射的光量,當果汁越大杯,反射的光就會越多。

這篇論文的研究結果,可以看到大約從510nm到900nm左右的波長光線都有相對高的反射比例,所以如果是作為偵測反射的光線,大概從綠光(~560nm),到近紅外(~810nm),都可能被使用。


而又由於波長越長的紅外線或紅光能穿透到皮膚更深層的地方(可以從這篇看到一些圖表),所以
也會使用紅光或紅外光作為穿透式的PPG使用。另外,由於血紅素和氧合血紅素在紅光與紅外光下有不同的吸收量,所以也能夠使用這兩種光源產生的結果來偵測血氧,這更細的介紹可以看看李永樂老師的影片

十多年前買的一些測脈搏的玩具像是這個心跳偵測器或是這個偵測脈搏的套件,其實原理都是一樣的,應用了PPG的原理,只是那些套件都是個成品,沒辦法做一些進階應用。

那麼PPG除了測脈搏、血氧之外還能做什麼應用呢?

用途可多呢,它可以測血壓,這應用到了另外兩個參數,分別是pulse arrival time (PAT) 和 pulse transition time (PTT) 。從這篇文章中的圖來看,若是我有一個ECG的訊號可以得知心臟搏動的時間點,再用PPG的訊號得知心臟搏動的訊號,取得兩點的時間差,那就是PAT。而PTT則是取得兩PPG訊號的時間差,例如一個在手臂一個在腕部,或是一個在手一個在腳。PAT或PTT的和血壓有相關性,血壓越高,則時間差越小。

PAT或是PTT其實就像是要測跑者速度,PAT就是測量跑者從起點到終點的時間,PTT就是分別在跑道1/2和3/4的地方測量時間。

除了使用不同偵測器分別感應不同位置外,在這篇論文甚至提出了另一種方式,是使用同一個偵測器,但同時具有RGB不同光源,由於不同光源能穿透的皮膚深度不同,所以像藍光就是照射到表皮微血管,而IR則是穿透到動脈的微血管。藉由分析不同光源的結果,也可以對應到血壓。

PPG也可以用來測量自律神經活性、血管狀況,甚至可以用來與中醫的脈做對應。這幾個我留在後面幾篇文章慢慢說,因為是可以自己實作程式出來玩的。也就是我會花幾篇文章篇幅整理與介紹我知道的PPG應用。

想要一起玩PPG,就是準備如我這篇提到的脈搏感應器,然後再來片microbit或是arduino就行了。