在医疗科技与消费电子加速融合的当下，可穿戴医疗设备正成为全球健康产业的新焦点。光电容积脉搏波（PPG）技术作为其核心监测手段，已广泛应用于心率、血氧饱和度等生理参数监测，正从消费级健康手环迈向医疗级诊断设备。
据麦姆斯咨询报道，南京航空航天大学机电学院与苏州健通医疗科技有限公司的科研团队基于PPG技术的基本原理，对PPG技术在可穿戴医疗设备、心律不齐检测与压力水平评估、睡眠质量分析、心血管疾病预测、慢性疾病管理、连续血压监测、血流动力学监测、卒中风险预警、败血症早期预测中的应用及挑战与解决方案进行综述，并分析未来发展趋势，为患者和医疗提供者提供更准确、更全面的健康监测意见。相关研究内容以“光电容积脉搏波技术在可穿戴医疗设备中的应用及其未来发展”为题发表在《现代仪器与医疗》期刊上。
光学解析血液动态的技术原理
PPG技术的底层逻辑基于光与组织的相互作用。当红光（600-700nm）和近红外光（800-1000nm）照射皮肤时，血液中的血红蛋白（Hb）与氧合血红蛋白（HbO₂）因波长依赖的吸收特性，会导致反射或透射光强度发生周期性波动。通过捕捉这些波动（搏动波AC成分反映心脏泵血，基线波DC成分反映血管弹性），可解析心率、血氧饱和度、血管健康等关键指标。这种波动通过朗伯 - 比尔定律转化为生理参数：血氧饱和度（SpO₂）利用双波长光吸收差异计算，误差控制在±2%以内；而心率变异性（HRV）则通过分析PPG波形上升时间、复杂度等高阶特征获取，精度可媲美心电图（ECG）。徐成喜博士补充，最新研究通过二阶导数分析PPG波形，使动脉硬化早期检出率提升至82%，验证了光学信号对血管健康的解析能力。
PPG技术在可穿戴医疗设备中的应用：从基础监测到疾病预警的全场景渗透
PPG技术在心率和血氧饱和度监测基础健康监测规模化落地
PPG技术在心率和血氧监测领域已高度成熟。反射式传感器（光源与探测器同侧）因适配手腕、耳垂等部位，成为智能手表（如苹果手表、Fitbit手环）的标准配置，运动状态下心率监测误差可控制在5%以内。透射式传感器（光源与探测器对侧）则凭借更高精度占据医疗市场，如Masimo脉搏血氧仪对血氧饱和度的监测误差仅±2%，广泛应用于临床急救和家庭护理。
PPG技术在医疗级应用突破，从筛查到预警的全链条渗透
心律不齐检测：通过分析心率变异性（HRV）和波形特征，深度学习模型对房颤（AF）的识别灵敏度达92.3%，特异性达95.1%，接近心电图（ECG）水平。智能手机摄像头结合PPG算法的创新方案，更使AF筛查无需专业设备，30秒内即可完成。
睡眠质量分析：PPG技术可精准区分浅睡、深睡和REM期，对睡眠呼吸暂停的监测准确率达89%。欧洲研究显示，其识别睡眠中断的灵敏度较传统多导睡眠图提升35%。心血管疾病预测：长期PPG数据追踪可提前5年预警高血压风险。德国团队通过分析波形复杂度，对早期血管硬化的检出率达82%。
慢性病与危重症管理：在糖尿病领域，PPG可提前6-12个月发现微血管病变；在美国，一项创新的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；这种非侵入式、实时的监测方法对于早期诊断心血管疾病（卒中风险）、评估治疗效果以及指导临床决策具有重要价值；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病状。
PPG技术在可穿戴医疗设备中的技术挑战
尽管应用广泛，PPG技术仍面临主要挑战包括数据准确性的提高和环境干扰的最小化。特别是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。
针对这些挑战，研究团队介绍了最新解决方案：算法优化是为了解决数据准确性问题，基于CycleGAN的运动伪影消除技术可将动态误差从12%降至4.5%，Transformer模型使多参数预测准确率提升25%。多传感器融合是提高PPG技术准确性的另一种方法，PPG与加速度计、陀螺仪的数据融合，使步行时心率监测准确率达94%，同时校准环境光干扰。
PPG技术在可穿戴医疗设备中的未来趋势
个性化健康管理
结合用户基因信息（如ACE基因多态性）和临床数据，PPG设备将实现“基因型 - 表型 - 监测数据”的个性化建模。例如，针对高血压遗传风险人群，定制化算法可使血压预警准确率提升30%。
无线健康生态系统
5G与物联网技术将推动PPG设备融入“监测 - 分析 - 干预”闭环。徐成喜博士展望：“未来可穿戴设备、智能手机、云端平台将无缝协同，糖尿病患者的PPG数据可实时联动胰岛素泵，使血糖波动系数降低28%。”
多参数集成与精准医疗
PPG技术将从单一参数监测转向多模态集成，如整合脑电（EEG）的头环设备可同步监测心率与脑电波，用于睡眠障碍分型；结合AI的血流动力学分析模型，可实时评估心脏泵血效率，提前诊断心肌病。
用户体验与伦理合规
柔性材质、骨传导佩戴等设计创新将提升舒适度，而区块链加密与差分隐私技术将确保数据安全。欧盟GDPR已要求PPG厂商建立数据匿名化机制，推动技术合规发展。
结语
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。随着技术的不断进步创新和跨学科合作，未来的PPG技术将超越单纯的生理参数监测，预计会有更多的生理参数能够被非侵入式地监测，同时通过深度学习和人工智能技术的应用，能够提供更为精准的健康分析和预测，成为全面的健康管理解决方案，为全球用户带来更健康、更高质量的生活。此外，随着5G和物联网技术的发展，可穿戴医疗设备将更加紧密地融入人们的日常生活中，成为个人健康管理和远程医疗服务不可或缺的一部分。
