智能穿戴設備心率監測實(shí)現的幾種方法及原理

　　如今，以智能手環(huán)和智能手表為代表的智能穿戴產(chǎn)品配備的心率監測功能正被越來(lái)越多人接受，甚至有的人早已把它當作了選擇產(chǎn)品的必備功能之一。那么，智能穿戴設備是如何監測心率的呢？今天，就來(lái)聊聊心率監測那些事兒。

　　為什么要測量心率？

　　作為人體最重要的生命體征之一，每個(gè)人的心率都會(huì )因年齡、性別及其他生理情況的不同而不同。一般而言，正常成年人安靜時(shí)的心率平均在75次/分左右（60~100次/分之間）。同一個(gè)人，在安靜或睡眠時(shí)心率減慢，運動(dòng)時(shí)或情緒激動(dòng)時(shí)心率加快，在某些藥物或神經(jīng)體液因素的影響下，會(huì )使心率發(fā)生加快或減慢。經(jīng)常進(jìn)行體力勞動(dòng)和體育鍛煉的人，平時(shí)心率較慢。

　　具體來(lái)說(shuō)，影響心率變化的因素主要是三大調節系統，即自身調節、體液調節、神經(jīng)調節。心率的變化能直接或間接地反映人體多方面的健康狀態(tài)，這就是測量心率的意義。放在智能穿戴領(lǐng)域，測量心率的意義則主要表現在三個(gè)方面。

　　首先是運動(dòng)方面，心率可以體現用戶(hù)運動(dòng)時(shí)身體的真實(shí)信息，如果心率太高運動(dòng)太劇烈，用戶(hù)的身體水分蒸發(fā)太快，那么這種運動(dòng)對身體無(wú)益，如果只是輕度運動(dòng)心率不夠高，用戶(hù)也就不可能燃燒足夠卡路里。

　　其次是疾病方面，通過(guò)監測靜息心率是否在正常范圍、日?；顒?dòng)中監測心臟停搏、心率異常增高等可起到及時(shí)預防疾病的作用，甚至通過(guò)心電監測心率還能檢測到心律是否異常。此外，通過(guò)指尖光電容積脈搏波描記法還可以監測脈搏波變化，以分析脈率、血氧濃度，糖尿病患者的微循環(huán)外周血管狀態(tài)等。

　　最后是精神方面，通過(guò)監測到的心率變異性，可分析自主神經(jīng)功能評估，如精神壓力、緊張與放松程度以及睡眠質(zhì)量等。

　　心率監測如何實(shí)現？

　　作為21世紀的新興產(chǎn)物—智能穿戴產(chǎn)品，因其特定的使用場(chǎng)景和佩戴要求，應用在該領(lǐng)域的心率監測技術(shù)目前主要有光電容積脈搏波描記法，簡(jiǎn)稱(chēng)光電法、心電信號法、壓力振蕩法、圖像信號分析法等幾類(lèi)。

　　光電法

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這種測量心率的方法就是基于物質(zhì)對光的吸收原理，通過(guò)智能穿戴設備的綠色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，根據血液的吸光度可測量心率。

　　具體而言，當一定波長(cháng)的光束照射到皮膚表面時(shí)，光束將通過(guò)透射或反射方式傳送到光電接收器，在此過(guò)程中由于受到皮膚肌肉和血液吸收的衰減作用，檢測器監測到光的強度將減弱。其中人體的皮膚、骨骼、肉、脂肪等對光的反射是固定值，而毛細血管和動(dòng)靜脈則在心臟的作用下隨著(zhù)脈搏容積不停變大變小。當心臟收縮時(shí)，外周血容量最多、光吸收量也最大，檢測到的光強度最??；而在心臟舒張時(shí)，正好相反，檢測到的光強度最大，使光接收器接收到的光強度隨之呈脈動(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，根據光信號接收位置的不同，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備上的發(fā)生器（emitter）和光敏接收器（detector）位于所測部位的兩側（通常由一個(gè)夾子固定），入射光穿過(guò)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(xiàn)透射被光敏接收器感知。根據其原理，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。

　　這一監測方法的產(chǎn)品在外形上通常采取密封暗盒的結構，能很好的減少外源性的光干擾，從而提高測量精度和穩定性。由于其信噪比高、信號穩定，除了測量心率之外還可以通過(guò)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，不適合應用在智能手環(huán)、智能手表上，而應用在耳垂、腳趾等部位的產(chǎn)品又會(huì )有穿戴不舒適的感覺(jué)。

　　2反射式光電法

　　與透射式光電法剛好相反，反射式光電法中，可穿戴設備上的發(fā)生器（emitter）和光敏接收器（detector）位于所測部位的同一側，主要測量反射回來(lái)的光。這種方法測量心率的優(yōu)點(diǎn)是非常簡(jiǎn)便，對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)品形式出現也完美地解決了透射式光電法中心率監測與佩戴舒適的雙重要求。

　　不過(guò)，反射式光電法雖然在穩定狀態(tài)下表現良好，但是當設備戴在手腕末端，會(huì )隨著(zhù)使用者走路或無(wú)規則運動(dòng)而像鐘擺一般上下蕩，離心力將使得血液量出現大變化；當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據的準確度。此外，可穿戴設備佩戴的松緊和人體皮膚血流量的大小也會(huì )影響到監測準確度。

　　心電信號法

　　心電信號法其實(shí)就是醫療級別常用的最準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(zhù)無(wú)數心肌細胞動(dòng)作電位變化，這些生物電的變化稱(chēng)為心電，而通過(guò)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、以及心臟功能恢復情況、患者的軀體和心理壓力情況等。

　　對于智能穿戴設備來(lái)說(shuō)，配備的傳感器可以通過(guò)測量心肌收縮的電信號來(lái)判斷使用者的心率情況，原理和心電圖類(lèi)似，這種方法的準確度非常高，但缺點(diǎn)是電路比較復雜，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，放置位置相對固定，所以采用這種測量方式的智能穿戴產(chǎn)品并不多見(jiàn)。

　　心電圖導聯(lián)體系。

　　壓力振蕩法和圖像信號分析法

　　壓力振蕩法主要應用在電子血壓計上，血壓計袖帶給手臂加壓，通過(guò)薄膜壓力傳感器探測動(dòng)脈血管的搏動(dòng)振幅進(jìn)行AD轉換，從而測量血壓與脈率（根據一定時(shí)間內有多少個(gè)脈搏波計算出心率）。圖像信號分析法主要是利用臉部圖像估測心率。因為，心臟跳動(dòng)時(shí)人臉上的顏色會(huì )產(chǎn)生細微的變化，而且胸口和肩膀也有細微的動(dòng)作，對采集到的圖像進(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，當信號遇到周?chē)娜嘶蛘呶矬w的時(shí)候就會(huì )馬上反彈，通過(guò)特殊的算法可計算出每次信號的反射速度，以此來(lái)判斷有無(wú)生命物體，如果是生命體的話(huà)，這款產(chǎn)品就會(huì )記錄人體心率和呼吸頻率。

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

　　智能穿戴產(chǎn)品該怎么選？

　　看完上面介紹的這些心率監測方法，那么消費者到底該選哪一種智能穿戴設備好呢？

　　對于智能穿戴設備廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，這取決于產(chǎn)品的市場(chǎng)定位。如果定位為一款時(shí)尚手環(huán)，那么其監測心率的功能很多時(shí)候只是一種點(diǎn)綴，用戶(hù)使用的大多數功能可能是看時(shí)間、短信推送、記步等，這時(shí)候僅僅需要能提供靜態(tài)心率功能就足夠了。如果是運動(dòng)手表，光電法以其便捷性和穿戴舒適性取勝；主要應用于運動(dòng)方向，那么通過(guò)光電法監測的心率準確率基本上可以滿(mǎn)足需求。此外，對于普通的運動(dòng)監測需求，運動(dòng)手表需要做到動(dòng)態(tài)心率功能，及能實(shí)時(shí)的長(cháng)時(shí)監測心率，并且需要在運動(dòng)過(guò)程中能較好地排除由運動(dòng)造成的心率信號干擾。因此，采用加速度計等補償算法是更好的選擇。

　　國外一項將Apple Watch與專(zhuān)業(yè)心率監測器Mio Alpha對比測試的研究表明，Apple Watch心率監測的準確度可媲美Mio Alpha。

　　對于普通消費者來(lái)說(shuō)，目前世面上絕大部分智能穿戴產(chǎn)品的心率監測功能都較為準確，作為普通人運動(dòng)和健身監測的工具綽綽有余。因此，只需要按照自己心里預估價(jià)位、個(gè)人喜好等特點(diǎn)挑選即可。不過(guò)，對于相對專(zhuān)業(yè)的運動(dòng)員來(lái)說(shuō)，建議佩戴測心電信號的心率胸帶，因為這類(lèi)產(chǎn)品的準確度更高，可以通過(guò)監測運動(dòng)員的心率變異性以提供更多的健康指標。