智能手表心率檢測的原理及不同方法的優(yōu)劣

　　智能手表、手機、耳機都能檢測心率，目前心率識別的原理方法有幾種？各自的優(yōu)勢和應用是什么？有哪些已經(jīng)應用到可穿戴設備上，他們和醫療領(lǐng)域的應用相比怎么樣？

　　血氧法：

　　基本測量的原理：血氧的含量，飽和度的測量在手指測量是最多的，也可以在腳趾、耳朵，這是最常見(jiàn)的測量血氧的地方。

　　原理就是用紅光和紅外光發(fā)射，這兩個(gè)要非常將近，保證他們在手指基本上非常接近的位置，可以保證檢測的準確度。這本身對傳感器技術(shù)，LED也是挑戰。

　　紅光和紅外光是分開(kāi)工作的，當紅光工作的時(shí)候，紅外光是關(guān)閉的，可以保證紅光和紅外光之間的工作非常干擾，剛才講距離要非常近，保證在同一個(gè)身體組織結構里面取得的信息。

　　當你有脈動(dòng)的時(shí)候，走過(guò)毛細血管的時(shí)候把氧分子丟下了，回到這邊是還原的血紅蛋白。所以檢測的時(shí)候，紅光和紅外光都是一個(gè)光，一方面會(huì )受到組織結構的衰減，再有受到靜脈血的衰減，還有動(dòng)脈的衰減，動(dòng)脈有兩個(gè)部分，一部分是存量的，總是在里面的，由于心臟的博動(dòng)，有一部分脈動(dòng)的血紅蛋白，血紅蛋白會(huì )增加。

　　因為有心跳的原因，就是脈動(dòng)了，通過(guò)手指傳送的光強會(huì )不斷的變化。

　　這樣通過(guò)一定的算法既可以檢測到心率了，當然發(fā)光二極管噪聲的處理是很關(guān)鍵的。

　　光電式：

　　一束光打在皮膚上，測量反射/透射的光。因為血液對特定波長(cháng)的光有吸收作用，每次心臟泵血時(shí)都會(huì )該波長(cháng)都會(huì )被大量吸收，以此就可以確定心跳。缺點(diǎn)：耗電大，會(huì )因環(huán)境光干擾。

　　發(fā)綠光的就是LED啦，中間那個(gè)不發(fā)光的就是測量反射光的sensor。市面上幾乎所有運動(dòng)手表都是這個(gè)原理。

　　這個(gè)是運動(dòng)耳機。依照圖片來(lái)看應該也是光電式：L耳機那兩個(gè)空應該就是一收一發(fā)。因為耳朵上皮膚比較薄，所有對于光電式測量有一定的優(yōu)勢。

　　測心電信號：

　　測量心肌收縮的電信號。和心電圖類(lèi)似原理。缺點(diǎn)：電路復雜，占PCB空間大。sensor必須緊貼皮膚，放置位置相對固定。心率帶常用。

　　第三種振動(dòng)式比較少見(jiàn)，最近才有產(chǎn)品出來(lái)。 因為每次心跳都會(huì )引起身體的震動(dòng)，通過(guò)高精度的傳感器捕捉這種震動(dòng)，再經(jīng)過(guò)信號處理可以得到心跳。比如下面的darma 坐墊。

　　他們用的是自己開(kāi)發(fā)的光纖傳感器來(lái)測量這樣小的震動(dòng)。

　　我們通過(guò)光電式傳感器，檢測到下圖中的波形

　　脈沖傳感器的原始信號被放大，并使其在V / 2脈沖波，中點(diǎn)電壓附近。脈沖傳感器通道對光強度的相對變化。如果光入射在傳感器的數量保持不變，信號值將保持在（或接近）ADC范圍的中點(diǎn)。更多的光，信號則上升。較少的光，相反的。每個(gè)脈沖，從綠色的LED的光被反射回到傳感器的強度都會(huì )變化。

　　我們的目標是瞬間心臟的連續跳動(dòng)，以及兩次跳動(dòng)的時(shí)間間隔，稱(chēng)為搏動(dòng)間隔（IBI）。

　　心率計算是根據：相鄰兩個(gè)脈沖波的上升段的中間值之差，來(lái)進(jìn)行計算IBI的。然后就可以計算BPM的數值了。（BPM是Beat Per Minute的簡(jiǎn)稱(chēng)，中文名為拍子數，釋義為每分鐘節拍數的單位。）

　　假設心電圖機的采樣率為1000，也即是每秒鐘要采樣1000個(gè)數據，那么怎樣依靠這些采樣的數據計算出心律呢？用計算機來(lái)計算心律可以發(fā)揮計算機計算能力強大的特點(diǎn)，就不用象人工掐脈數心律一樣，要等到一分鐘才能得到結果，用計算機來(lái)計算心律我們只要有4秒鐘的心電數據就可以了，即4000個(gè)數據就可以計算出心律了，瞬時(shí)性非常好。

　　假設我們要求的心率是x，那么心率計算的數學(xué)公式如下（R波指的是大小為4000的緩沖區里面，心跳波動(dòng)的各個(gè)波峰）：

　　x / （60*1000） = （R波個(gè)數 - 1） / （最后一個(gè)R波位置 - 第一個(gè)R波位置）

　　求出x

　　x = （60*1000） * （R波個(gè)數 - 1） / （最后一個(gè)R波位置 - 第一個(gè)R波位置）

　　這個(gè)數學(xué)公式中 （最后一個(gè)R波位置-第一個(gè)R波位置） 得到的是最后一個(gè)R波和第一個(gè)R波之間隔了多少個(gè)數據，采樣率1000的話(huà)，這個(gè)值其實(shí)就是隔了多少個(gè)毫秒。