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手环测试心率基于什么工作原理?

/2019-01-25 20:49

  一般来说,心率监测的原理通常分三种:一种是光电透射测量法,原理上来说就是手环与皮肤接触的传感器会发出一束光打在皮肤上,测量反射/透射的光。因为血液对特定波长的光有吸收作用,每次心脏泵血时,该波长都会被大量吸收,以此就可以确定心跳。不过缺点是耗电量大,同时会受环境光干扰。目前市面上的智能手环或手表监测心率的功能多是采用了光电透射测量法。

  还有一种方法是测试心电信号的方法,手环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,原理和心电图类似原理。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,所以很难有手环采用这种测量方式。

  除此之外,还有振动式测量,最近才有产品出来。 因为每次心跳都会引起身体的震动,通过高精度的传感器捕捉这种震动,再经过信号处理可以得到心跳,一般来说,智能坐垫或智能按摩器一类的产品多会采用这种测量方法,手环则比较少见。

  先从心率监测的基本原理说起。心率是指正常人安静状态下每分钟的心跳次数,也叫安静心率。成人正常心率为60-100次/分钟,而运动员由于心肺功能较强,所以心率会比普通人低一些。心脏就像一个水泵,通过收缩和舒张把血液输送到身体的各个部位。运输是血液的基本功能,氧气和营养物质都需要靠血液输送才能到达全身各组织。

  我们的许多行为都会对心率产生影响,比如吸烟或饮酒时,由于血液的携氧能力降低,为了维持身体正常运转,心脏就需要输送更多血液来保证供氧量,心率就会提高;运动时身体需要的供氧量增加,心率也会随之提高。因此心率是反映我们身体状态的一个重要指标。

  目前比较成熟的心率监测方法主要有3种,分别是心电信号法、动脉血压法、以及光电法。

  电脉冲测量使用干性电极技术获取人体心电数据,通过峰值检测的到心率,原理和心电图类似。

  心脏机械收缩之前,会产生一个电激动,这种电激动可以通过人体组织传到体表,电脉冲测量法就是通过监测这种电激动来测出心率。

  电脉冲测量准确度最高,不过由于这种电信号的波长较长,所以监测用的两个电极必须保持一定距离,这在体积很小的穿戴设备上也难以实现。

  动脉血压法通过感知动脉血压来监测心率。心脏收缩时,动脉中血液流量增加,血压升高;心脏舒张时,动脉中血液流量减少,血压降低。这种血压的变化十分明显,用手就能感觉得到,所以过去才有“诊脉”这种诊断方法。

  动脉血压法的缺点显而易见,由于需要施加一定压力才能感受到这种血压变化,所以长期佩戴这种设备肯定会带来压迫感和不适感,因此除了血压计之外,在其他心率监测设备中很少使用。

  光电法基于光电容积图(PPG)技术,分为透射式和反射式,透射式一般通过血氧含量测定心率。

  血液中的血红蛋白携氧到达身体的各个部位,氧被身体消耗后,心脏泵血,将不带氧等血红蛋白送去补氧,同时带来新的带氧的血红蛋白。这种循环和心率的变化是一致的,而带氧的血红蛋白和不带氧的血红蛋白对光的吸收率不同。通过发射特定波长的光线测出血液的含氧情况,从而进一步得到心率数据。

  这种方法的优点是能同时测出心率和血氧饱和度两个指标,但由于必须要让光线穿透人体组织,所以只能在指尖、耳垂等特定部位使用。手环需要佩戴在手腕上,并不满足透射式PPG的使用条件,所以很少在穿戴设备上使用。

  反射式则通过光线反射感应血液流动时血管体积的变化,从而测出心率。目前市面上穿戴设备,如 Apple Watch、小米手环2等,大多采用这种方法。所以你在这些设备的心率传感器上可以很明显的看到光线发射端和接收端,发射端发出绿光,接收端接受身体组织反射的光。

  使用绿光,并不是因为血液是红色的,而是因为所检测的部位除了血液和血管,还有其他组织,这会带来一定的信号“噪声”,影响监测的准确性,而绿光的抗燥能力最强。在透射式PPG中,使用的就是红光,因为红光波长比较长,穿透力也更强。

  至于准确性,我们平时的运动,姿势,甚至皮肤颜色,都会对光电法的心率测量结果产生影响。所以大多数手环和手表测出的心率基本都不是完全准确的,但基本能正确地反映出心率变化趋势,对于普通人的运动心率监测来说已经够用

  一般来说,心率监测的原理通常分三种:一种是光电透射测量法,原理上来说就是手环与皮肤接触的传感器会发出一束光打在皮肤上,测量反射/透射的光。因为血液对特定波长的光有吸收作用,每次心脏泵血时,该波长都会被大量吸收,以此就可以确定心跳。不过缺点是耗电量大,同时会受环境光干扰。目前市面上的智能手环或手表监测心率的功能多是采用了光电透射测量法。

  不过,只有运动心率的数据才是有意义的。如果你要买测心率的手环,得买实时运动心率监测的。比如国内99元的37度手环,第二代就有实时的运动心率功能。而小米的心率不是运动心率的,要注意。

  还有一种方法是测试心电信号的方法,手环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,原理和心电图类似原理。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,所以很难有手环采用这种测量方式。

  除此之外,还有振动式测量,最近才有产品出来。因为每次心跳都会引起身体的震动,通过高精度的传感器捕捉这种震动,再经过信号处理可以得到心跳,一般来说,智能坐垫或智能按摩器一类的产品多会采用这种测量方法,手环则比较少见。

  大气压

  

  红外线感应

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