2. 生命体征信号基础

可穿戴生命体征采集系统的设计，本质上是在人体表面或近体位置，用有限的传感器把生理活动转换成可处理的电信号。要判断采集是否有效、波形是否可信，必须先理解每种信号的生理起源和波形特征。本节围绕心电（ECG）、光电容积脉搏波（PPG）、呼吸、体温和血压五类信号，说明它们从哪里来、在时域上长什么样、以及可穿戴场景下最需要关注的参数。

心电信号：从心肌电活动到体表电位差

心电信号源于窦房结起搏后，心房和心室心肌细胞依次去极化与复极化的过程。这些电活动通过体液传导到体表，在不同位置形成约 0.5～4 mV 的电位差。可穿戴单导联设备通常采用类似标准肢体导联的电极布置，例如左上胸与右下胸之间，或胸骨两侧，以获得以 R 波为主的正向波形。

一个典型心电周期由 P 波、QRS 波群和 T 波组成。P 波对应心房去极化，幅度约 0.05～0.25 mV，时限约 80～100 ms；QRS 波群对应心室去极化，其中 R 波幅度最大，时限约 80～120 ms；T 波对应心室复极，幅度约 0.1～0.5 mV，时限约 120～160 ms。可穿戴设备最常提取的参数是 R-R 间期，由此计算心率与心率变异性。需要注意，运动伪迹和电极接触阻抗变化会显著抬高基线，因此前端通常需要 0.05～40 Hz 或 0.5～40 Hz 的带通范围，并在数字域做基线漂移抑制。

光电容积脉搏波：从血容积变化到交流分量

PPG 的生理起源是心脏搏动引起的动脉血容积周期性变化。LED 发出绿光（约 520～570 nm）或红外光穿透皮肤，光电二极管接收反射或透射光强。血液对光的吸收随血容积变化，因此接收光强中包含一个随心跳波动的交流分量（AC）和一个由静脉血、组织、骨骼等构成的直流分量（DC）。

典型 PPG 波形由收缩期上升支、收缩期峰值、降中峡和舒张期下降支组成。可穿戴设备常用绿光反射式测量，采样率通常设为 25～100 Hz。从 PPG 可以提取心率、脉搏波传导时间、血氧饱和度（需双波长）等参数。PPG 对运动、环境光和佩戴松紧非常敏感，因此实际系统中常配合加速度计做运动伪迹抑制，并用自适应滤波或谱峰追踪稳定心率估计。

呼吸信号：从胸廓运动到阻抗或容积变化

呼吸的生理起源是呼吸肌驱动胸廓扩张与回缩，导致胸腔容积、阻抗和体表位移发生周期性变化。可穿戴呼吸监测主要有三条路径：一是通过胸阻抗变化（呼吸阻抗法），二是通过胸腹绑带式应变传感器，三是通过 PPG 基线或心电 R 波幅度的呼吸调制间接提取。呼吸频率正常成人静息时约 12～20 次/分，波形近似正弦但存在个体差异。

呼吸信号幅度通常远小于心电和 PPG，因此容易受到体动和心跳的干扰。工程上常先做 0.1～0.5 Hz 带通滤波，再用峰值检测或过零检测估计呼吸周期。若采用阻抗法，注入电流一般控制在 10～100 μA 以内，以避免对受试者产生不适。

体温与血压：慢变量与间接估计

体温信号来自人体核心与体表的热平衡过程，可穿戴设备多采用热敏电阻或红外温度传感器测量体表温度。体表温度受环境温度、血流和出汗影响，变化缓慢，采样率通常 1 Hz 甚至更低即可。核心体温与体表温度之间存在偏差，因此可穿戴体温更多用于趋势监测而非绝对诊断。

血压信号本质上是动脉内压力随心动周期的波动，直接测量需要动脉置管或袖带加压。可穿戴设备通常采用 PPG 与 ECG 联合的方法，利用脉搏波传导时间（PTT）与血压之间的负相关关系做间接估计。PTT 定义为 ECG 的 R 波峰值到 PPG 上升支起点或峰值的时间差，正常静息约 200～300 ms。PTT 越短，通常对应血压越高。该关系需要个体化校准，且受血管弹性和体位影响，因此实际系统必须定期重新校准并给出置信度提示。

可穿戴采集中的关键判断

理解上述五类信号后，实际采集系统需要回答三个问题：信号是否被正确拾取、波形是否被正确解释、参数是否被正确输出。以心率为例，ECG 的 R 波检测通常采用 Pan-Tompkins 类算法：先带通滤波突出 QRS 频段，再做微分、平方和滑动积分，最后用自适应阈值检测峰值。PPG 的心率估计则更多依赖频域或峰值间隔，但运动时容易把步频误判为心率，因此需要加速度计辅助判断。

呼吸和体温属于慢变量，采集时更关注长期趋势和基线稳定性；血压属于间接估计量，必须明确其不确定性和校准需求。下表给出五类信号在可穿戴场景下的典型参数范围，可作为传感器选型和算法设计的参考起点。