智能手环监测心率大多采用的是心电测量技术或光电技术,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。

智能手环在突飞猛进的爆发增长越来越缩小了健康级和医疗级医用器械直接的距离。心率监测这项原本属于专业诊断的行为也从医院走向家庭。那么智能手环监测心率靠谱不靠谱?它到底运用的是什么原理?

智能手环 Smart Bracelet

1、PPG 光电容积脉搏波描记法原理(PhotoPlethysmoGraphy)

这是在智能手环中运用最多的工作原理,简单说就是用光的反射,根据血液中透光率的脉动变化,折算成电信号,再运用一定的算法折算成心率。

其依据的原理是一束固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把光传送到光电接收器,在这个过程中由于受到皮肤肌肉和血液的吸收造成衰减,检测器检测到的光强度将减弱。而皮肤、肌肉组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的,但皮肤内的血液容积会在心脏的作用下呈搏动性变化。当心脏收缩时外周血容量最多,光吸收量也最大,检测到的光强度就最小。而在心脏舒张时,则反之,检测到光强度最大,使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化。

之所以市面上大多数智能手环的 LED 灯是绿色的光,就是因为绿光在红色的血液中吸收率是最大的,用绿光检测对数据判断就最准确。当一个人运动处于比较稳定的状态时,心率也是比较稳定的。只要检测到不同时间心脏的脉搏强弱,就可以通过算法计算出其相应的心率。

但是,这仅限于坐下、睡眠、走路、跑步这种运动比较稳定的情况下,如果是加速跑、减速跑、打篮球这种情况下,心率是忽高忽低,这种方法就很难算出准确的心率了。另外,在剧烈运动时,由于皮肤大量出汗,汗液的对光吸收率不是固定的,也会影响测量精度。不过考虑到大多数智能手环的使用者大多数时候不需要检测剧烈运动时的心率作为健康管理的参数,这项缺陷也就可有可无了。

2、心电信号测量,类似 ECG(心电图)

这种方法是用人体的电位差进行心率检测,跟医院里面做心电图类似。心脏周围的组织和体液都能导电,因此可将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。心脏好比电源,每次心跳,心肌细胞的动作都会使人的体表产生微小的电极变化,而捕捉到这些电极变化,再经过算法就可以还原出心率跳动的频率。目前市面上只有极少数智能手环、手表才用这种原理进行工作。

为什么经常见到的都是绿光 LED?

现在心率手环基本都是用的都是光感心率,是通过光的反射原理测试的,一般都会受环境光影响,部分产品对着强光或者全黑是不会有心率数据的心率手环一般采用绿色(欧司朗)搭配上感光光电二极管来检测任何时刻流经手腕血液的流量。当用户的心脏跳动时,会有更多的血液流过用户的手腕,绿光的吸收量也会越大。在心脏跳动间隙,血液流量减少,导致绿光的吸收也会减少。通过复杂精密的算法将心率信号有效监测并提取出来,大多使用 NXP 原相心率。

因为在血液这种红色液体面前,绿光的吸收率是最大的,对于数据判断是比较准确的。当用户的心脏跳动时,会有更多的血液流过用户的手腕,绿光的吸收量也会越大。在心脏跳动间隙,血液流量减少,导致绿光的吸收也会减少。

举个例子,假设手环的发光数值为 100,皮肤肌肉组织吸收恒定的 10,血液总吸收为 15,那反射后为 100-10*2-15=65,然后动脉血过来,红细胞含氧增多,血液总吸收变成了 2 被,那反射后为 50,之后会一直处于 65-50-65-50-65-50-65-50-65-50……,通过计算每秒多少次脉冲变化,就得出你的心率。

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