幾種主流可穿戴心率監測方案的分析與比較

心率統計的基本原理?

人類(lèi)為什么對心率統計這種東西感興趣?并且可穿戴設備制造商也以此為賣(mài)點(diǎn)做宣傳，難道是看到自己每分鐘心跳次數就會(huì )高 潮?實(shí)際情況當然并非如此，心率數據可以反映的事情很多，比如睡眠情況、運動(dòng)時(shí)所處狀態(tài)，甚至內心的情緒波動(dòng)。這是可穿戴設備尋求心率統計的原因。

常見(jiàn)的心率計有兩種原理：一種是諧振式一種是光電式。諧振式是感應壓力的變化從而測量脈搏，光電式是利用了血液對近紅外光線(xiàn)吸收的特點(diǎn)。而手機攝像頭測量脈搏和光電式的原理很像。血液也會(huì )吸收可見(jiàn)光。當心臟擠壓，血管中血液流量增加的時(shí)候，更多的可見(jiàn)光被吸收，攝像頭會(huì )拍攝出較暗的畫(huà)面;當心臟放松，血管中血液流量減少時(shí)，可見(jiàn)光被吸收的較少，攝像頭里采集的圖像也會(huì )變得更鮮紅。交替的明暗變化通過(guò)App處理后就變成脈搏次數了。

Apple Watch如何做心率檢測?

2015年，AppleWatch的正式上市極大地刺激整個(gè)智能可穿戴設備市場(chǎng)規模的增加，銷(xiāo)量達到1,390萬(wàn)只，占智能腕帶設備市場(chǎng)份額58.3%，市場(chǎng)規模將會(huì )達到1356億元人民幣?；贏(yíng)ndroid Wear的智能手表銷(xiāo)量為400萬(wàn)只，市場(chǎng)份額為17.4%。預計在2017年，市場(chǎng)規模穩定上升，市場(chǎng)規模依然會(huì )超過(guò)300億元人民幣。

蘋(píng)果官方近日公布了其內置心率傳感器的工作原理。蘋(píng)果的技術(shù)支持文檔顯示，Apple Watch的心率測量周期是每10分鐘測量一次，并將數據存儲在健康App中。這些檢測信息，再結合收集到的其他數據，計算佩戴者的卡路里消耗量。

在心率傳感器上，Apple Watch采用的是光體積描記器(PPG)，原理如下：

血液之所以呈現紅色，是因為它反射紅光并吸收綠光。Apple Watch使用綠色LED燈，配合對光敏感的感光器，可以檢測任意時(shí)間點(diǎn)流經(jīng)手腕的血液流量。

心臟跳動(dòng)時(shí)，流經(jīng)手腕的血液會(huì )增加，吸收的綠光也會(huì )增加;心跳間隔期，流經(jīng)手腕的血液會(huì )減少，吸收的綠光也會(huì )隨之減少。Apple Watch內置的兩顆綠色LED燈可以每秒閃動(dòng)數百次，從而計算出每分鐘的心跳次數，也就是心率。

上面講到的利用綠光LED的光體積描記器測量心率更像是一種備選方案，因為在十分鐘測量一次心率的周期里，Apple Watch 利用的是紅外線(xiàn)。但在“紅外線(xiàn)測量無(wú)法讀取足夠的數據時(shí)，Apple Watch會(huì )切換至綠色LED。”

此外，為了應對對心率信號進(jìn)行補償，避免信號過(guò)弱影響讀數，蘋(píng)果表示對心率傳感器進(jìn)行了針對性的設計，比如提高LED亮度和采樣率。

除了上面這些技術(shù)層面的手段外，蘋(píng)果在文檔中也特別指明，不恰當的佩戴方式也會(huì )影響心率的采樣和準確性。

實(shí)際上，除了上面談到的佩戴方式對心率測量的影響外，很多外部的因素也需要考慮在內。比如文檔中講到的皮膚血流量。很多人尤其是男性，都會(huì )注意到在夏天比較熱的時(shí)候，手臂上的血管會(huì )猙獰地鼓起，血量很足，而在冬天天氣寒冷的室外，手臂上的血管就不會(huì )凸起得那么突兀了，這時(shí)候流經(jīng)手臂的血液量也會(huì )少一些，甚至會(huì )低到心率傳感器無(wú)法讀取數值。

蘋(píng)果在文檔最后講到，在“節率運動(dòng)”和“無(wú)規律運動(dòng)”中，心率測量的準確性可能會(huì )存在差異。其實(shí)可以簡(jiǎn)單地理解為無(wú)氧運動(dòng)如乒乓球、拳擊和有氧運動(dòng)如跑步、騎車(chē)這兩類(lèi)運動(dòng)中，后者的心率測量會(huì )相對準確一些。

監測心率只是測量和計算運動(dòng)量的一個(gè)手段，Apple Watch 還會(huì )結合加速度計、GPS 等其他傳感器來(lái)計算運動(dòng)和鍛煉情況。

可穿戴心率檢測的幾大技術(shù)難點(diǎn)?

當前可穿戴設備的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)就是數據監測的準確性差，因此，高精度檢測算法在可穿戴設備整體解決方案中的地位亦顯得舉足輕重。硬件PCBA材料和尺寸、功耗、性能、成本的兼顧，使得傳感器等關(guān)鍵器件、高精度算法、數據平臺等成為可穿戴電子產(chǎn)品設計的難點(diǎn)。尤其在智能腕表的硬件尺寸方面有較高的要求，一定要小而緊湊，另外很多個(gè)性化的設計方案中要求使用柔性材料可以方便其外觀(guān)的擴展設計。

玉成的心率檢測方案使用ADI的加速度傳感器以及TI2541或NordicBLE51822的藍牙模塊，算法可擴展性強。主要通過(guò)算法的優(yōu)化，監測在各種運動(dòng)狀態(tài)下，例如慢走、快走、慢跑、快跑、爬樓梯、打羽毛球等心跳頻率，實(shí)現在運動(dòng)狀態(tài)下HRV(心率變異性)的動(dòng)態(tài)監控。另外還有睡眠監測的模式可以讓MCU處于休眠狀態(tài)，以達到省電的目的。其他的功能如血氧、血壓的監測功能實(shí)現當前都在開(kāi)發(fā)中。

另一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是精準，采用玉成研發(fā)的運動(dòng)心率解決方案在靜態(tài)與醫用心率測試儀對比，精確達到醫療設備級別，本產(chǎn)品的該項性能，將在今后一個(gè)較長(cháng)時(shí)期內保持技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。

除了靜態(tài)檢測，動(dòng)態(tài)心率的監測適配各種運動(dòng)場(chǎng)景的切換做法，也是關(guān)鍵技術(shù)之一。在運動(dòng)狀態(tài)下，玉成的運動(dòng)心率解決方案能適應各種運動(dòng)狀態(tài)下的心率測試。目前玉成已經(jīng)取得了兩項關(guān)鍵技術(shù)的專(zhuān)利授權。

可穿戴心率方案哪家強?

目前市面上擁有自己的可穿戴心率方案技術(shù)的廠(chǎng)商主要有小米、37度、原相、Fitbit、apple、MIO邁歐、玉成等。玉成作為第三方設計公司，掌握了包括傳感器、模擬前端、算法、硬件設計、手表結構在內的全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)。

與MIO邁歐方案的主要參數對比

與MI0的測試數據對比

與PORLAR心率帶的對比

與POLAR心率帶的測試數據對比