智能穿戴设备心率监测实现的几种方法及原理

　　如今，以智能手环和智能手表为代表的智能穿戴产品配备的心率监测功能正被越来越多人接受，甚至有的人早已把它当作了选择产品的必备功能之一。那么，智能穿戴设备是如何监测心率的呢？今天，就来聊聊心率监测那些事儿。

　　为什么要测量心率？

　　作为人体最重要的生命体征之一，每个人的心率都会因年龄、性别及其他生理情况的不同而不同。一般而言，正常成年人安静时的心率平均在75次/分左右（60~100次/分之间）。同一个人，在安静或睡眠时心率减慢，运动时或情绪激动时心率加快，在某些药物或神经体液因素的影响下，会使心率发生加快或减慢。经常进行体力劳动和体育锻炼的人，平时心率较慢。

　　具体来说，影响心率变化的因素主要是三大调节系统，即自身调节、体液调节、神经调节。心率的变化能直接或间接地反映人体多方面的健康状态，这就是测量心率的意义。放在智能穿戴领域，测量心率的意义则主要表现在三个方面。

　　首先是运动方面，心率可以体现用户运动时身体的真实信息，如果心率太高运动太剧烈，用户的身体水分蒸发太快，那么这种运动对身体无益，如果只是轻度运动心率不够高，用户也就不可能燃烧足够卡路里。

　　其次是疾病方面，通过监测静息心率是否在正常范围、日常活动中监测心脏停搏、心率异常增高等可起到及时预防疾病的作用，甚至通过心电监测心率还能检测到心律是否异常。此外，通过指尖光电容积脉搏波描记法还可以监测脉搏波变化，以分析脉率、血氧浓度，糖尿病患者的微循环外周血管状态等。

　　最后是精神方面，通过监测到的心率变异性，可分析自主神经功能评估，如精神压力、紧张与放松程度以及睡眠质量等。

　　心率监测如何实现？

　　作为21世纪的新兴产物—智能穿戴产品，因其特定的使用场景和佩戴要求，应用在该领域的心率监测技术目前主要有光电容积脉搏波描记法，简称光电法、心电信号法、压力振荡法、图像信号分析法等几类。

　　光电法

　　简单来说，这种测量心率的方法就是基于物质对光的吸收原理，通过智能穿戴设备的绿色LED灯搭配感光光电二极管照射血管一段时间，由于血液是红色的，它可以反射红光吸而收绿光，在心脏跳动时，血液流量增多，绿光的吸收量会随之变大；处于心脏跳动的间隙时血流会减少，吸收的绿光也会随之降低。因此，根据血液的吸光度可测量心率。

　　具体而言，当一定波长的光束照射到皮肤表面时，光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器，在此过程中由于受到皮肤肌肉和血液吸收的衰减作用，检测器监测到光的强度将减弱。其中人体的皮肤、骨骼、肉、脂肪等对光的反射是固定值，而毛细血管和动静脉则在心脏的作用下随着脉搏容积不停变大变小。当心脏收缩时，外周血容量最多、光吸收量也最大，检测到的光强度最小；而在心脏舒张时，正好相反，检测到的光强度最大，使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化。

　　

　　大部分智能手表都采用了光电法监测心率，它们的明显特征是传感器部位配备了绿色LED灯。

　　这种测量原理的光电传感器有很多种，根据光信号接收位置的不同，光电法又可分为透射和反射两种模式。

　　1透射式光电法

　　透射式光电法指的是可穿戴设备上的发生器（emitter）和光敏接收器（detector）位于所测部位的两侧（通常由一个夹子固定），入射光穿过皮肤进入深层组织，除了被皮肤、肌肉、血液、骨骼等吸收外，剩下部分的光线透射被光敏接收器感知。根据其原理，这种方法适用的测量部位是人体两面距离比较短的组织，如耳垂、手指、脚趾等，而具有代表性的智能穿戴产品就是那些耳夹式心率监测仪、指甲式血氧仪等。

　　

　　采用透射式光电法的智能穿戴产品通常以一个夹子固定。

　　这一监测方法的产品在外形上通常采取密封暗盒的结构，能很好的减少外源性的光干扰，从而提高测量精度和稳定性。由于其信噪比高、信号稳定，除了测量心率之外还可以通过波形分析心搏功能、血液流动等诸多心血管生理信息。缺点是，不适合应用在智能手环、智能手表上，而应用在耳垂、脚趾等部位的产品又会有穿戴不舒适的感觉。

　　2反射式光电法

　　与透射式光电法刚好相反，反射式光电法中，可穿戴设备上的发生器（emitter）和光敏接收器（detector）位于所测部位的同一侧，主要测量反射回来的光。这种方法测量心率的优点是非常简便，对测量部位的要求也很低，只要组织比较平滑且皮下脂肪少的的地方几乎都可以测量，比如额头、手腕。因此，大部分智能手环、智能手表等穿戴设备都采用了这种方法测量心率。而且，以智能手环或智能手表的产品形式出现也完美地解决了透射式光电法中心率监测与佩戴舒适的双重要求。

　　不过，反射式光电法虽然在稳定状态下表现良好，但是当设备戴在手腕末端，会随着使用者走路或无规则运动而像钟摆一般上下荡，离心力将使得血液量出现大变化；当血管收缩压与离心力在血液中交互作用，就更难分辨血管中的血量。因此可能降低心率数据的准确度。此外，可穿戴设备佩戴的松紧和人体皮肤血流量的大小也会影响到监测准确度。

　　心电信号法

　　心电信号法其实就是医疗级别常用的最准确的测量心率的方法。心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着无数心肌细胞动作电位变化，这些生物电的变化称为心电，而通过心电的周期性变化便可以检测到心率。除了心率，心电图还可以提供包括心脏功能障碍、心脏疾病、以及心脏功能恢复情况、患者的躯体和心理压力情况等。

　　对于智能穿戴设备来说，配备的传感器可以通过测量心肌收缩的电信号来判断使用者的心率情况，原理和心电图类似，这种方法的准确度非常高，但缺点是电路比较复杂，占PCB空间比较大，易受电磁干扰，同时传感器必须紧贴皮肤，放置位置相对固定，所以采用这种测量方式的智能穿戴产品并不多见。

　　

　　心电图导联体系。

　　压力振荡法和图像信号分析法

　　压力振荡法主要应用在电子血压计上，血压计袖带给手臂加压，通过薄膜压力传感器探测动脉血管的搏动振幅进行AD转换，从而测量血压与脉率（根据一定时间内有多少个脉搏波计算出心率）。图像信号分析法主要是利用脸部图像估测心率。因为，心脏跳动时人脸上的颜色会产生细微的变化，而且胸口和肩膀也有细微的动作，对采集到的图像进行可以估测心率和呼吸频率。美国麻省理工学院推出的Vital-Radio则是由路由器发出Wi-Fi信号，当信号遇到周围的人或者物体的时候就会马上反弹，通过特殊的算法可计算出每次信号的反射速度，以此来判断有无生命物体，如果是生命体的话，这款产品就会记录人体心率和呼吸频率。

　　这两种方法对使用者要求较高，仅限于人体相对静止的情况，方法不当结果也会差很多，甚至患有某些心血管疾病的病人测量结果不太准确。因此，智能穿戴设备领域采用这两种方法测量心率的产品非常少。

　　智能穿戴产品该怎么选？

　　看完上面介绍的这些心率监测方法，那么消费者到底该选哪一种智能穿戴设备好呢？

　　对于智能穿戴设备厂商来说，这取决于产品的市场定位。如果定位为一款时尚手环，那么其监测心率的功能很多时候只是一种点缀，用户使用的大多数功能可能是看时间、短信推送、记步等，这时候仅仅需要能提供静态心率功能就足够了。如果是运动手表，光电法以其便捷性和穿戴舒适性取胜；主要应用于运动方向，那么通过光电法监测的心率准确率基本上可以满足需求。此外，对于普通的运动监测需求，运动手表需要做到动态心率功能，及能实时的长时监测心率，并且需要在运动过程中能较好地排除由运动造成的心率信号干扰。因此，采用加速度计等补偿算法是更好的选择。

　　

　　国外一项将Apple Watch与专业心率监测器Mio Alpha对比测试的研究表明，Apple Watch心率监测的准确度可媲美Mio Alpha。

　　对于普通消费者来说，目前世面上绝大部分智能穿戴产品的心率监测功能都较为准确，作为普通人运动和健身监测的工具绰绰有余。因此，只需要按照自己心里预估价位、个人喜好等特点挑选即可。不过，对于相对专业的运动员来说，建议佩戴测心电信号的心率胸带，因为这类产品的准确度更高，可以通过监测运动员的心率变异性以提供更多的健康指标。