一、智能手環(huán)測心率到底靠不靠譜？讓業(yè)內(nèi)專家為你揭秘

第一種：PPG光電容積脈搏波描記法原理（PhotoPlethysmoGraphy）

簡單來說，反射而已，就是利用血液中透光率的脈動(dòng)變化，折算成電信號(hào)，對(duì)應(yīng)就是心率。

?

▲代表產(chǎn)品：FitbitchargeHR&Surge

當(dāng)一定波長的光束照射到指端皮膚表面時(shí)，光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收器，在此過程中由于受到指，端皮膚肌肉和血液的吸收衰減作用，檢測器檢測到的光強(qiáng)度將減弱。其中皮膚、肌肉組織等對(duì)光的吸收在整個(gè)血液循環(huán)中是保持恒定不變的，而皮膚內(nèi)的血液，容積在心臟作用下呈搏動(dòng)性變化。當(dāng)心臟收縮時(shí)外周血容量最多光吸收量也最大，檢測到的光強(qiáng)度最小。而在心臟舒張時(shí)，正好相反，檢測到的光強(qiáng)度最大，使光接收器接收到的光強(qiáng)度隨之呈脈動(dòng)性變化。

為什么經(jīng)常見到的都是綠光LED？

因?yàn)樵谘哼@種紅色液體面前，綠光的吸收率是最大的，對(duì)于數(shù)據(jù)判斷是比較準(zhǔn)確的。

當(dāng)用戶的心臟跳動(dòng)時(shí)，會(huì)有更多的血液流過用戶的手腕，綠光的吸收量也會(huì)越大。在心臟跳動(dòng)間隙，血液流量減少，導(dǎo)致綠光的吸收也會(huì)減少。

舉個(gè)例子，假設(shè)手環(huán)的發(fā)光數(shù)值為100，皮膚肌肉組織吸收恒定的10，血液總吸收為15，那反射后為100-10*2-15=65，然后動(dòng)脈血過來，紅細(xì)胞含氧增多，血液總吸收變成了2被，那反射后為50，之后會(huì)一直處于65-50-65-50-65-50-65-50-65-50……，通過計(jì)算每秒多少次脈沖變化，就得出你的心率。

不知道PPG這種方式有沒有看明白呢？

它的原理就決定了它的缺點(diǎn)，如果手環(huán)和皮膚直接有很多汗液呢？那數(shù)值就會(huì)不準(zhǔn)確。

如果你的數(shù)值是這樣變化，65-50-65-50-65-50-66-51-62-50-65等，這也會(huì)讓機(jī)器蒙逼了。

總結(jié)來說：

這種方法，測量靜息脈搏和正常有規(guī)則運(yùn)動(dòng)（跑步等）還是比較準(zhǔn)的，但對(duì)于無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，如足球羽毛球等無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，舉例所說的假設(shè)數(shù)值會(huì)亂蹦，會(huì)稍微準(zhǔn)確度下降。但也是相差幾個(gè)數(shù)值來說，對(duì)于非專業(yè)人士，我感覺應(yīng)該足夠了吧。

第二種：心電信號(hào)測量，類似ECG（心電圖）

這個(gè)說的簡單點(diǎn)，就是你去醫(yī)院做過的心電圖，其實(shí)有點(diǎn)類似。不同的是，醫(yī)院需要在心口、腳上、手腕上都要加上電極，需要測量更多的數(shù)據(jù)，而腕式手表就不需要那么多數(shù)據(jù)，僅僅心率就夠了。

簡單來說：

心臟周圍的組織和體液都能導(dǎo)電，因此可將人體看成為一個(gè)具有長、寬、厚三度空間的容積導(dǎo)體。心臟好比電源，無數(shù)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位變化的總和可以傳導(dǎo)并反映到體表。在體表很多點(diǎn)之間存在著電位差，也有很多點(diǎn)彼此之間無電位差是等電的。通過收集到的電極變化，經(jīng)過算法處理，可以還原出很多數(shù)值，其中可以還原出心率數(shù)值。

?

每次心跳，人的體表都會(huì)有微小的電極變化，而捕捉到這些電極變化，再經(jīng)過算法就可以還原出心率跳動(dòng)的頻率。據(jù)我所知，手環(huán)內(nèi)，好像jawbongUP3采用的是心電測量技術(shù)，其它大部分都是光電技術(shù)。作為21世紀(jì)的新興產(chǎn)物—智能穿戴產(chǎn)品，因其特定的使用場景和佩戴要求，應(yīng)用在該領(lǐng)域的心率監(jiān)測技術(shù)目前主要有光電容積脈搏波描記法，簡稱光電法、心電信號(hào)法、壓力振蕩法、圖像信號(hào)分析法等幾類。

至于心率帶，一般也都采用心電測量，檢測體表電極變化，還原出心率數(shù)值。

二、心率監(jiān)測又是如何實(shí)現(xiàn)？

1、光電法

簡單來說，這種測量心率的方法就是基于物質(zhì)對(duì)光的吸收原理，通過智能穿戴設(shè)備的綠色LED燈搭配感光光電二極管照射血管一段時(shí)間，由于血液是紅色的，它可以反射紅光吸而收綠光，在心臟跳動(dòng)時(shí)，血液流量增多，綠光的吸收量會(huì)隨之變大；處于心臟跳動(dòng)的間隙時(shí)血流會(huì)減少，吸收的綠光也會(huì)隨之降低。因此，根據(jù)血液的吸光度可測量心率。

具體而言，當(dāng)一定波長的光束照射到皮膚表面時(shí)，光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收器，在此過程中由于受到皮膚肌肉和血液吸收的衰減作用，檢測器監(jiān)測到光的強(qiáng)度將減弱。其中人體的皮膚、骨骼、肉、脂肪等對(duì)光的反射是固定值，而毛細(xì)血管和動(dòng)靜脈則在心臟的作用下隨著脈搏容積不停變大變小。當(dāng)心臟收縮時(shí)，外周血容量最多、光吸收量也最大，檢測到的光強(qiáng)度最??；而在心臟舒張時(shí)，正好相反，檢測到的光強(qiáng)度最大，使光接收器接收到的光強(qiáng)度隨之呈脈動(dòng)性變化。

?

大部分智能手表都采用了光電法監(jiān)測心率，它們的明顯特征是傳感器部位配備了綠色LED燈。

這種測量原理的光電傳感器有很多種，根據(jù)光信號(hào)接收位置的不同，光電法又可分為透射和反射兩種模式。

1.透射式光電法

透射式光電法指的是可穿戴設(shè)備上的發(fā)生器（emitter）和光敏接收器（detector）位于所測部位的兩側(cè)（通常由一個(gè)夾子固定），入射光穿過皮膚進(jìn)入深層組織，除了被皮膚、肌肉、血液、骨骼等吸收外，剩下部分的光線透射被光敏接收器感知。根據(jù)其原理，這種方法適用的測量部位是人體兩面距離比較短的組織，如耳垂、手指、腳趾等，而具有代表性的智能穿戴產(chǎn)品就是那些耳夾式心率監(jiān)測儀、指甲式血氧儀等。

?

采用透射式光電法的智能穿戴產(chǎn)品通常以一個(gè)夾子固定。

這一監(jiān)測方法的產(chǎn)品在外形上通常采取密封暗盒的結(jié)構(gòu)，能很好的減少外源性的光干擾，從而提高測量精度和穩(wěn)定性。由于其信噪比高、信號(hào)穩(wěn)定，除了測量心率之外還可以通過波形分析心搏功能、血液流動(dòng)等諸多心血管生理信息。缺點(diǎn)是，不適合應(yīng)用在智能手環(huán)、智能手表上，而應(yīng)用在耳垂、腳趾等部位的產(chǎn)品又會(huì)有穿戴不舒適的感覺。

與透射式光電法剛好相反，反射式光電法中，可穿戴設(shè)備上的發(fā)生器（emitter）和光敏接收器（detector）位于所測部位的同一側(cè)，主要測量反射回來的光。這種方法測量心率的優(yōu)點(diǎn)是非常簡便，對(duì)測量部位的要求也很低，只要組織比較平滑且皮下脂肪少的的地方幾乎都可以測量，比如額頭、手腕。因此，大部分智能手環(huán)、智能手表等穿戴設(shè)備都采用了這種方法測量心率。而且，以智能手環(huán)或智能手表的產(chǎn)品形式出現(xiàn)也完美地解決了透射式光電法中心率監(jiān)測與佩戴舒適的雙重要求。

不過，反射式光電法雖然在穩(wěn)定狀態(tài)下表現(xiàn)良好，但是當(dāng)設(shè)備戴在手腕末端，會(huì)隨著使用者走路或無規(guī)則運(yùn)動(dòng)而像鐘擺一般上下蕩，離心力將使得血液量出現(xiàn)大變化；當(dāng)血管收縮壓與離心力在血液中交互作用，就更難分辨血管中的血量。因此可能降低心率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。此外，可穿戴設(shè)備佩戴的松緊和人體皮膚血流量的大小也會(huì)影響到監(jiān)測準(zhǔn)確度。

2、心電信號(hào)法

心電信號(hào)法其實(shí)就是醫(yī)療級(jí)別常用的最準(zhǔn)確的測量心率的方法。心臟在每個(gè)心動(dòng)周期中，由起搏點(diǎn)、心房、心室相繼興奮，伴隨著無數(shù)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位變化，這些生物電的變化稱為心電，而通過心電的周期性變化便可以檢測到心率。除了心率，心電圖還可以提供包括心臟功能障礙、心臟疾病、以及心臟功能恢復(fù)情況、患者的軀體和心理壓力情況等。

對(duì)于智能穿戴設(shè)備來說，配備的傳感器可以通過測量心肌收縮的電信號(hào)來判斷使用者的心率情況，原理和心電圖類似，這種方法的準(zhǔn)確度非常高，但缺點(diǎn)是電路比較復(fù)雜，占PCB空間比較大，易受電磁干擾，同時(shí)傳感器必須緊貼皮膚，放置位置相對(duì)固定，所以采用這種測量方式的智能穿戴產(chǎn)品并不多見。

?

心電圖導(dǎo)聯(lián)體系。

3、壓力振蕩法和圖像信號(hào)分析法

壓力振蕩法主要應(yīng)用在電子血壓計(jì)上，血壓計(jì)袖帶給手臂加壓，通過薄膜壓力傳感器探測動(dòng)脈血管的搏動(dòng)振幅進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，從而測量血壓與脈率（根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)有多少個(gè)脈搏波計(jì)算出心率）。圖像信號(hào)分析法主要是利用臉部圖像估測心率。因?yàn)?，心臟跳動(dòng)時(shí)人臉上的顏色會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的變化，而且胸口和肩膀也有細(xì)微的動(dòng)作，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行可以估測心率和呼吸頻率。美國麻省理工學(xué)院推出的Vital-Radio則是由路由器發(fā)出Wi-Fi信號(hào)，當(dāng)信號(hào)遇到周圍的人或者物體的時(shí)候就會(huì)馬上反彈，通過特殊的算法可計(jì)算出每次信號(hào)的反射速度，以此來判斷有無生命物體，如果是生命體的話，這款產(chǎn)品就會(huì)記錄人體心率和呼吸頻率。

這兩種方法對(duì)使用者要求較高，僅限于人體相對(duì)靜止的情況，方法不當(dāng)結(jié)果也會(huì)差很多，甚至患有某些心血管疾病的病人測量結(jié)果不太準(zhǔn)確。因此，智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域采用這兩種方法測量心率的產(chǎn)品非常少。