医疗电子中的生物信号处理：ECG + PPG多模态融合与共模抑制

在医疗电子领域，生物信号的准确处理与分析对于疾病的诊断、监测和治疗至关重要。心电图（Electrocardiogram，ECG）和光电容积脉搏波（Photoplethysmography，PPG）是两种常见的生物信号，它们分别从不同的生理角度反映了人体的健康状况。ECG 主要用于记录心脏的电活动，而 PPG 则通过检测血液容积的变化来反映心血管系统的功能。将 ECG 和 PPG 进行多模态融合，并结合有效的共模抑制技术，能够提高生物信号处理的准确性和可靠性，为医疗诊断提供更全面的信息。

ECG 与 PPG 信号的特点及局限性

ECG 信号

ECG 信号是心脏电活动在体表的综合表现，具有明显的波形特征，如 P 波、QRS 波群和 T 波等。这些波形包含了心脏节律、传导功能等重要信息，是诊断心律失常、心肌梗死等心脏疾病的重要依据。然而，ECG 信号容易受到多种干扰因素的影响，如肌电干扰、工频干扰、电极接触不良等。肌电干扰是由于人体肌肉活动产生的电信号，其频率范围与 ECG 信号部分重叠，难以完全滤除；工频干扰则是由于电源线路产生的 50Hz 或 60Hz 电磁场干扰，会在 ECG 信号中引入周期性的噪声。

PPG 信号

PPG 信号是通过光电传感器检测皮肤下血液容积变化得到的，它可以反映心率、血氧饱和度、血压等生理参数。PPG 信号具有非侵入性、操作简便等优点，在可穿戴医疗设备和远程医疗监测中得到了广泛应用。但 PPG 信号同样容易受到干扰，如运动伪影、环境光干扰等。运动伪影是由于人体运动导致传感器与皮肤之间的相对位移，从而引起信号的失真；环境光干扰则是由于外界光线照射到传感器上，影响光电检测的准确性。

ECG + PPG 多模态融合的意义

提供更全面的生理信息

ECG 和 PPG 信号从不同的生理机制反映了心血管系统的状态，将它们进行多模态融合可以获取更全面、更准确的生理信息。例如，通过结合 ECG 信号的心率变异性分析和 PPG 信号的血氧饱和度测量，可以更全面地评估心血管系统的功能和健康状况，为疾病的早期诊断提供依据。

提高诊断的准确性和可靠性

单一生物信号可能存在一定的局限性，容易受到干扰或误诊。而多模态融合可以利用不同信号之间的互补性，提高诊断的准确性和可靠性。例如，在某些心律失常的诊断中，ECG 信号可能受到干扰而出现异常波形，但结合 PPG 信号的心率变化可以进一步确认诊断结果。

实现更智能的医疗监测

多模态融合的生物信号可以为智能医疗监测系统提供更丰富的数据来源，通过数据分析和机器学习算法，实现对疾病的实时监测和预警。例如，在可穿戴设备中，通过持续监测 ECG 和 PPG 信号，可以及时发现心率异常、血氧饱和度下降等潜在健康问题，并向用户发出预警。

共模抑制技术在生物信号处理中的应用

共模干扰的产生与影响

在生物信号采集过程中，共模干扰是一种常见的干扰源。共模干扰是指同时作用在信号输入端的两个电极上的相同干扰信号，它通常由电源线路、电磁辐射等因素引起。共模干扰会叠加在生物信号上，降低信号的信噪比，影响信号处理的准确性。

共模抑制技术的方法与原理

为了抑制共模干扰，可以采用多种技术方法。常见的共模抑制技术包括差分放大、右腿驱动、屏蔽和接地等。差分放大是利用差分放大器对两个电极的信号进行差分运算，从而抑制共模信号，放大差模信号（即生物信号）。右腿驱动技术则是通过将人体与一个低阻抗的参考点相连，形成一个反馈回路，有效地降低共模干扰。屏蔽和接地技术可以减少外界电磁辐射对生物信号采集系统的影响，提高系统的抗干扰能力。

共模抑制技术在 ECG + PPG 多模态融合中的应用

在 ECG + PPG 多模态融合系统中，共模抑制技术尤为重要。由于 ECG 和 PPG 信号采集过程中都可能受到共模干扰的影响，采用有效的共模抑制技术可以保证两种信号的质量，从而提高多模态融合的效果。例如，在 ECG 信号采集电路中采用差分放大和右腿驱动技术，在 PPG 信号采集模块中采用屏蔽和接地技术，可以有效地抑制共模干扰，提高生物信号的准确性和可靠性。

结论

医疗电子中的生物信号处理是一个复杂而重要的领域，ECG + PPG 多模态融合与共模抑制技术为提高生物信号处理的准确性和可靠性提供了有效的解决方案。通过多模态融合，可以获取更全面、更准确的生理信息，为医疗诊断和监测提供更有力的支持。同时，采用有效的共模抑制技术可以降低干扰信号的影响，保证生物信号的质量。未来，随着医疗电子技术的不断发展，ECG + PPG 多模态融合与共模抑制技术将不断完善和创新，为人类的健康事业做出更大的贡献。