【科普小常識】手環(huán)監(jiān)測心率原理大揭秘

jhddxb · 發(fā)表于 2017-2-12 12:12

可穿戴設(shè)備一般都可以長期佩戴，因此從誕生以來，它們就被賦予了一個重要的使命——監(jiān)測人體的各項生物指標(biāo)，比如睡眠監(jiān)測、心率監(jiān)測等等。目前，心率監(jiān)測已經(jīng)成為智能手環(huán)和智能手表的標(biāo)配功能，一百多塊的產(chǎn)品也都配有心率監(jiān)測傳感器。這些手環(huán)和手表到底是怎么進(jìn)行心率監(jiān)測的？結(jié)果準(zhǔn)確嗎？今天我們就來討論一下這個問題。

先從心率監(jiān)測的基本原理說起。心率是指正常人安靜狀態(tài)下每分鐘的心跳次數(shù)，也叫安靜心率。成人正常心率為60-100次/分鐘，而運動員由于心肺功能較強，所以心率會比普通人低一些。心臟就像一個水泵，通過收縮和舒張把血液輸送到身體的各個部位。運輸是血液的基本功能，氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)都需要靠血液輸送才能到達(dá)全身各組織。
我們的許多行為都會對心率產(chǎn)生影響，比如吸煙或飲酒時，由于血液的攜氧能力降低，為了維持身體正常運轉(zhuǎn)，心臟就需要輸送更多血液來保證供氧量，心率就會提高；運動時身體需要的供氧量增加，心率也會隨之提高。因此心率是反映我們身體狀態(tài)的一個重要指標(biāo)。

目前比較成熟的心率監(jiān)測方法主要有3種，分別是心電信號法、動脈血壓法、以及光電法。
電脈沖測量使用干性電極技術(shù)獲取人體心電數(shù)據(jù)，通過峰值檢測的到心率，原理和心電圖類似。

心臟機械收縮之前，會產(chǎn)生一個電激動，這種電激動可以通過人體組織傳到體表，電脈沖測量法就是通過監(jiān)測這種電激動來測出心率。
電脈沖測量準(zhǔn)確度最高，不過由于這種電信號的波長較長，所以監(jiān)測用的兩個電極必須保持一定距離，這在體積很小的穿戴設(shè)備上也難以實現(xiàn)。
動脈血壓法通過感知動脈血壓來監(jiān)測心率。心臟收縮時，動脈中血液流量增加，血壓升高；心臟舒張時，動脈中血液流量減少，血壓降低。這種血壓的變化十分明顯，用手就能感覺得到，所以過去才有“診脈”這種診斷方法。

動脈血壓法的缺點顯而易見，由于需要施加一定壓力才能感受到這種血壓變化，所以長期佩戴這種設(shè)備肯定會帶來壓迫感和不適感，因此除了血壓計之外，在其他心率監(jiān)測設(shè)備中很少使用。

光電法基于光電容積圖（PPG）技術(shù)，分為透射式和反射式，透射式一般通過血氧含量測定心率。

血液中的血紅蛋白攜氧到達(dá)身體的各個部位，氧被身體消耗后，心臟泵血，將不帶氧等血紅蛋白送去補氧，同時帶來新的帶氧的血紅蛋白。這種循環(huán)和心率的變化是一致的，而帶氧的血紅蛋白和不帶氧的血紅蛋白對光的吸收率不同。通過發(fā)射特定波長的光線測出血液的含氧情況，從而進(jìn)一步得到心率數(shù)據(jù)。

這種方法的優(yōu)點是能同時測出心率和血氧飽和度兩個指標(biāo)，但由于必須要讓光線穿透人體組織，所以只能在指尖、耳垂等特定部位使用。手環(huán)需要佩戴在手腕上，并不滿足透射式PPG的使用條件，所以很少在穿戴設(shè)備上使用。
反射式則通過光線反射感應(yīng)血液流動時血管體積的變化，從而測出心率。目前市面上穿戴設(shè)備，如 Apple Watch、小米手環(huán)2等，大多采用這種方法。所以你在這些設(shè)備的心率傳感器上可以很明顯的看到光線發(fā)射端和接收端，發(fā)射端發(fā)出綠光，接收端接受身體組織反射的光。

使用綠光，并不是因為血液是紅色的，而是因為所檢測的部位除了血液和血管，還有其他組織，這會帶來一定的信號“噪聲”，影響監(jiān)測的準(zhǔn)確性，而綠光的抗燥能力最強。在透射式PPG中，使用的就是紅光，因為紅光波長比較長，穿透力也更強。至于準(zhǔn)確性，我們平時的運動，姿勢，甚至皮膚顏色，都會對光電法的心率測量結(jié)果產(chǎn)生影響。所以大多數(shù)手環(huán)和手表測出的心率基本都不是完全準(zhǔn)確的，但基本能正確地反映出心率變化趨勢，對于普通人的運動心率監(jiān)測來說已經(jīng)夠用。

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xinzhe07 · 發(fā)表于 2017-2-12 12:18

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asia5739 · 發(fā)表于 2017-7-15 11:21

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