4、信号采集与预处理：PPG信号采样策略、运动伪影的时域特征分析、基线漂移的成因与影响、工频干扰的频谱特征

各位同学，欢迎来到第四讲。前面我们聊了光路设计和光电二极管选型，那些都是硬件层面的功夫。但说实话，硬件做得再好，信号进了ADC之后，如果预处理没做好，后面算法再牛也白搭。今天我们就来聊聊PPG信号从模拟域进入数字域之后，第一道坎该怎么迈。

4.1 PPG信号采样策略：别让奈奎斯特坑了你

采样率怎么定？很多人第一反应就是奈奎斯特定理，两倍于最高频率。嗯，理论上没错，但实际做血氧仪，你会发现事情没那么简单。

PPG信号的有效成分主要集中在0.5Hz到5Hz之间，对应心率30到300次/分。按奈奎斯特，10Hz采样就够了。但我个人习惯，至少设到100Hz。为什么？

• 波形保真度：PPG信号里有个关键特征叫"重搏波切迹"，这个凹陷很窄。采样率低了，这个特征直接丢失，后续特征点提取就废了。
• 运动伪影的时域分辨率：运动伪影往往是高频成分，低采样率下你根本看不清它的形态。
• 过采样降噪：100Hz采样后做数字低通滤波，比硬件滤波器效果好得多。

当然，也不是越高越好。采样率太高，数据量暴增，功耗也跟着涨。对于穿戴设备，我个人建议：

应用场景	推荐采样率	理由
临床监护仪	200-500 Hz	需要高精度波形分析
家用指夹式	50-100 Hz	够用，省电
手环/手表	25-50 Hz	功耗优先，牺牲一点精度

4.2 运动伪影的时域特征分析

运动伪影，说白了就是血氧仪的天敌。你想想看，手指在动，血液在晃，光路在变，ADC读出来的数据乱七八糟。怎么识别它？

我们先看时域特征。正常的PPG波形，周期稳定，上升支陡峭，下降支平缓，有个明显的重搏波。运动伪影来了之后，波形变成什么样？

• 幅度突变：正常PPG的峰峰值变化不超过20%。运动伪影能让它瞬间翻倍或减半。
• 周期紊乱：心率明明是72，突然冒出来一个"心跳"间隔只有200ms，这肯定不是心跳。
• 基线剧烈波动：这个我们下一节细说。

我记得有一次调试，发现算法在走路时SpO2掉到85%，吓我一跳。后来把原始数据拉出来一看，好家伙，波形完全被步频淹没了。步频大概2Hz，和心率重叠了，根本分不开。

怎么在时域识别运动伪影？我常用的几个指标：

// 伪代码：运动伪影检测
if (abs(peak_amplitude - avg_amplitude) > 0.3 * avg_amplitude) {
    // 幅度异常，标记为运动伪影
    motion_flag = 1;
}
if (abs(interval - avg_interval) > 0.4 * avg_interval) {
    // 周期异常，标记为运动伪影
    motion_flag = 1;
}
if (baseline_drift_rate > threshold) {
    // 基线漂移过快，标记为运动伪影
    motion_flag = 1;
}

这三个条件，满足任意一个，我就认为这段数据不可靠，要么丢弃，要么进入补偿算法。

4.3 基线漂移的成因与影响

基线漂移，就是PPG信号的整体水平在缓慢变化。你想想看，正常PPG应该在一个稳定的直流电平上波动，但实际采集到的信号，这个直流电平会上下飘。

成因有哪些？

• 呼吸运动：吸气时胸腔扩张，指尖血容量变化，导致基线上升。呼气时下降。频率大概0.2-0.3Hz。
• 肢体移动：手在动，传感器和皮肤的接触压力在变，基线跟着变。
• 温度漂移：LED和光电二极管都有温度系数，开机后温度上升，基线慢慢飘。
• 电路耦合：电源纹波、运放失调电压，都会贡献基线漂移。

影响有多大？

基线漂移最直接的影响，就是让特征点提取变得困难。你设一个固定阈值去检测波峰，基线一飘，阈值就不准了。要么漏检，要么误检。

我做过一个实验：在无漂移的情况下，波峰检测准确率99.5%。加入0.5Hz、幅度为信号幅度20%的基线漂移后，准确率直接掉到85%。

常用的基线校正方法：

• 高通滤波：截止频率设0.3-0.5Hz，简单粗暴。但会损失一部分低频的心率信息。
• 多项式拟合：用低阶多项式拟合基线，然后减去。效果不错，但计算量大。
• 形态学滤波：用开运算和闭运算估计基线，适合实时处理。

我个人偏爱形态学滤波，因为它不需要知道信号的统计特性，而且计算量可控。

4.4 工频干扰的频谱特征

工频干扰，就是50Hz（或60Hz）的电网噪声。这个噪声怎么进来的？

• 空间辐射：电源线、灯具、显示器，都是辐射源。你的血氧仪就像一根天线。
• 地环路：如果设备接地不良，地线上会有工频电流流过。
• 电源耦合：开关电源的纹波，虽然频率高，但整流后会有50Hz的残留。

频谱特征：

工频干扰在频谱上非常干净，就是一个单频尖峰，在50Hz处。但要注意，实际中还会有谐波，100Hz、150Hz，甚至更高。为什么？因为电网波形不是完美的正弦波，有畸变。

我记得有一次，客户反馈说血氧仪在工厂里测不准。我带着示波器过去一看，好家伙，车间里全是变频器，50Hz的谐波一直延伸到500Hz。我们的低通滤波只到40Hz，根本挡不住。

怎么处理工频干扰？

方法	优点	缺点
硬件低通滤波	简单，不占算力	截止频率难调，会衰减有用信号
数字陷波器	精准去除50Hz	对频率偏移敏感，可能引入相位失真
自适应滤波	能跟踪频率变化	计算量大，收敛速度慢
同步采样	理论上完全消除	需要锁相环，硬件复杂

对于大多数血氧仪，我建议用数字陷波器加一个低通滤波的组合。陷波器干掉50Hz，低通干掉高频噪声。注意陷波器的Q值不要太高，否则会引入振铃。

好了，这一讲的内容就到这里。采样策略、运动伪影、基线漂移、工频干扰，这四个问题搞定了，你的PPG信号才算真正"干净"了。下一讲，我们开始聊特征提取，也就是怎么从干净的信号里找到波峰波谷。