PPG 是什麼？光學心率與血氧監測原理，以及醫療級穿戴裝置的設計關鍵

撰文：臺醫光電（tBPC）生物光學研發團隊
更新日期：2026-04

近年來，智慧手錶、健康手環與超微型的智慧戒指快速普及。越來越多人習慣透過手腕上的裝置查看心率、血氧、睡眠品質與壓力指數。然而，在這些看似直覺的健康數據背後，其底層依賴的幾乎都是同一種生理感測技術——PPG（光體積變化描記法）。

從計算步數的消費級手環，到監測夜間睡眠呼吸中止症（OSA）的醫療級設備，PPG 無疑是現代穿戴健康監測的核心。但許多硬體開發商與醫療機構在導入時常會面臨一個巨大的挑戰：「為什麼一樣都是 PPG 感測器，有些數據非常準確，有些卻在關鍵時刻頻頻失真？」

本文將為您完整解析 PPG 的物理原理、心率與血氧的量測機制，並深入探討打造醫療級穿戴裝置設計時，必須克服的光學痛點。

什麼是 光體積變化描記法 (PPG）？

PPG 全名為：Photoplethysmography（光體積變化描記法）

PPG 的英文全名為 Photoplethysmography，是一種透過光學方式偵測組織微血管內「血液容積變化」的非侵入式生理監測技術。

我們可以將其理解為一門「從光看見心跳」的科學。當心臟每次收縮將血液泵入動脈時，末梢微血管（如手腕、手指）的血液體積會隨之增加；而在心臟舒張時，血液體積則會減少。

PPG 感測器通常包含兩個核心元件：發光二極體（LED）與光電感測器（PD, Photodiode）。

當 LED 發射特定波長的光線進入皮膚後，光線在行經微血管時，會因為血流體積的週期性變化而被不同程度地吸收或散射。感測器接收這些反射或穿透的光線後，將其轉換為連續的光學波形，這就是我們常說的 PPG 原生訊號。

PPG 是如何量測心率與血氧的？

PPG 的應用廣度令人驚豔，只要原始訊號夠乾淨，它能推估出多維度的生理指標：

光學心率（HR）與心率變異度（HRV）

當裝置貼合皮膚，血液對光的吸收程度會隨著心臟搏動產生規律的起伏。系統透過捕捉 PPG 波形的週期頻率，就能換算出每分鐘的心跳次數（Beats Per Minute, BPM），也就是心率 (Heart Rate, HR)。例如，若系統偵測到規律波形，換算後每分鐘約 72 次，裝置便會顯示 HR = 72 bpm。

這就是常見的 光學心率監測原理（Optical Heart Rate Monitoring）。

心率變異度（HRV）

進一步來說，如果我們能精確計算出「每一次心跳與下一次心跳之間微小時間差」的變化，就能取得心率變異度（HRV），這是目前評估自律神經調節、壓力負荷、睡眠恢復與疲勞狀態的關鍵指標。

血氧飽和度（SpO₂）

量測血氧的原理比心率更為複雜，它仰賴血液的光學吸收特性。人體血液中攜帶氧氣的「氧合血紅素（HbO₂）」與未攜帶氧氣的「去氧血紅素（Hb）」，對不同波長的光有著截然不同的吸收率。 為了量測血氧，PPG 模組通常會同時發射紅光（Red Light）與紅外光（Infrared Light）。透過精密比對這兩種波長在血液中的反射與吸收比例差異，系統就能精準估算出血液中的含氧濃度。

呼吸率（RR）

人體在呼吸時，胸腔壓力的改變會連帶影響靜脈回流，進而造成 PPG 波形的基線（Baseline）與振幅產生微小的週期性起伏。演算法能從心跳波形中分離出這層「呼吸調變訊號」，可進一步推估呼吸率（Respiratory Rate, RR）。

睡眠趨勢分析

結合上述的連續心率、HRV、呼吸變化以及裝置的微機電（MEMS）動作感測，醫療級演算法能精準推估使用者的睡眠階段（淺睡、深睡、REM）與夜間恢復狀態，甚至偵測睡眠呼吸中止的潛在風險。

為什麼同樣是 PPG，準確度卻天差地遠？

既然原理相同，為什麼市面上消費級手環與醫療級穿戴裝置的表現會存在巨大鴻溝？這是因為真實世界充滿了物理與環境的變數。要取得高品質的 PPG 訊號，開發者必須克服以下挑戰：

1. 光學設計的先天體質： 光源波長的選擇、LED 的發光效率以及感測器的靈敏度，直接決定了訊號的基礎品質。若光源配置不佳，即使演算法再強，也很難從不穩定的原始訊號中還原出可信數據。
2. 膚色與血液灌流差異： 不同膚色、皮膚厚度與組織條件，會影響光線在皮膚中的吸收與反射。較深的膚色（黑色素）會大量吸收綠光，而寒冷環境會導致末梢血管收縮（低血流灌注）手腕或手指末端血流下降，PPG 可捕捉到的交流訊號也會變得微弱。若系統的光學設計不佳，在這些情境下將無法獲取足夠的反射光，導致訊號微弱甚至消失。
3. 動態干擾（Motion Artifacts）： 使用者走動、翻身、手部晃動或配戴鬆動時，會導致環境雜訊（如日光燈）漏入感測器，產生比心跳本身還要強烈的假訊號波形。這些動態雜訊有時甚至比真正的心跳訊號還強，導致心率、血氧或 HRV 判讀失準。
4. 間歇量測造成關鍵事件遺漏: 許多消費級裝置為了省電或避免處理大量雜訊，會採取間歇量測，例如每幾分鐘取一次數據。這對日常健康參考或許足夠，但在醫療與睡眠監測場景中，卻可能錯過短暫而關鍵的事件，例如：夜間血氧快速下降、呼吸暫停、心率突然飆高、短暫心律異常，在臨床與照護場域中，漏掉幾秒鐘的異常，可能就錯失早期預警訊號。

tBPC inside™ 如何提升 PPG 訊號品質？

真正可靠的解決方案，必須從光學擷取的源頭（Source）下手。 tBPC inside™ 認為，要打造醫療級的穿戴裝置，必須具備以下核心生物光學能力：

• 生物光學技術，建立每秒量測的純淨訊號源頭: tBPC 透過組織光學模擬，分析不同波長光線在皮膚、血液與組織中的穿透、反射、散射與吸收行為，優化光源波長與接收效率。這能幫助系統在不同膚色、不同血流條件與不同量測部位下，仍維持穩定訊號品質。透過高訊噪比（SNR）的光學架構，tBPC inside™ 可支援醫療級的 每秒量測 與連續性生理訊號擷取，不必完全依賴後端補值來填補資料空白。
• 光機電整合設計，杜絕硬體漏光與雜訊: 在真實使用情境中，光學模組不只要準，還要能被放進微型裝置中穩定運作。tBPC 透過光學、機構與電子工程整合，優化：光源與感測器位置、防漏光結構、微型化模組配置、低功耗設計、量產一致性。這使 PPG 模組能在智慧戒指、醫療手環、睡眠監測設備與其他專業醫療設備中，維持穩定輸出。
• 醫療級 AI 演算法，化數據為臨床預警: 感測器負責看，AI 負責判讀。我們透過大規模臨床數據訓練的演算法，能主動濾除殘餘的體動雜訊，並將原始 PPG 訊號轉化為高可靠度的血氧下降指數（ODI）、呼吸率（RR）與心肺預警指標。

PPG 與 ECG 有什麼不同？

PPG 與 ECG 常被拿來比較，但兩者量測的是不同生理訊號。

PPG：光學量測血流變化

PPG 透過光學方式觀察血流容積變化，優點是非侵入、容易微型化，適合長時間連續監測。

ECG：電學量測心臟訊號

ECG（Electrocardiography，心電圖）量測的是心臟電訊號，對心律異常診斷更直接，也更常見於臨床心臟檢查。

簡單來說：

• PPG 適合長時間、無感、連續健康監測
• ECG 適合心臟電訊號與心律問題診斷

兩者不是互相取代，而是根據應用情境互補。

結論：唯有強大的生物光學，才能產出可信的醫療數據

PPG 是一項成熟的技術，但要將其運用至「臨床可採信」的境界，考驗的正是硬體底層的生物光學功力。對消費級健康裝置而言，偶爾查看心率或睡眠趨勢已經足夠；但對醫療級穿戴裝置、遠距照護、睡眠監測與長照預警而言，真正重要的是：訊號是否穩定、數據是否連續、結果是否可被信任。

如果您的團隊正在開發下一代醫療級穿戴裝置、血氧手環、遠距監測設備或是高階智慧手錶，面臨著訊號不穩、膚色適配性差或無法達成連續高頻量測的瓶頸，重新檢視底層的光學感測架構，將是突破僵局的唯一途徑。

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常見問題 FAQ

免責聲明： 本文提供之生理監測與臨床趨勢資訊僅供專業參考，不作為醫療診斷依據。