光學(xué)心率傳感器的作用

隨著生活節(jié)奏的加快，工作壓力的加大，越來(lái)越多的人開(kāi)始注重健身，如此一來(lái)，可穿戴健身追蹤設(shè)備就變得很流行。如果仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)身邊已經(jīng)有很多朋友開(kāi)始使用這類設(shè)備，或用于健身或用于減肥，這些設(shè)備可以記錄健身數(shù)據(jù)，方便用戶跟蹤健身進(jìn)度。用戶能夠一直關(guān)注自己的行動(dòng)曲線。

目前，市面上的健身追蹤器已經(jīng)進(jìn)展到了第二代甚至第三代，昔日最原始的計(jì)步器已經(jīng)被升級(jí)版設(shè)備所替代，更新的設(shè)備配備測(cè)高計(jì)和加速度計(jì)等，幾乎可以追蹤一切行為，從用戶爬了多少個(gè)臺(tái)階到用戶昨晚的睡眠質(zhì)量如何等，基本全面覆蓋。

光學(xué)心率傳感器的測(cè)量原理

光電容積脈搏波描記法，這個(gè)名字讀起來(lái)實(shí)在是高端，其實(shí)說(shuō)簡(jiǎn)單點(diǎn)就是利用光測(cè)量脈搏的一種技術(shù)：血液是紅色的，反射紅光，吸收綠光。穿戴設(shè)備通過(guò)光學(xué)心率傳感器檢測(cè)特定時(shí)間手腕處流通的血液量。心臟跳動(dòng)的一瞬，手腕處流通的血液量增加，吸收更多綠光；而心跳間隙，吸收的綠光就少一些。LED光每秒閃動(dòng)數(shù)百次，計(jì)算出每分鐘的心跳次數(shù)，也就是心率。

當(dāng)LED光射向皮膚，透過(guò)皮膚組織反射回的光被光敏傳感器接受并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，簡(jiǎn)化過(guò)程：光-->電-->數(shù)字信號(hào)

大多數(shù)設(shè)備都是把綠光作為傳感器光源，之所以選擇綠光主要是考慮到以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1.皮膚的黑色素會(huì)吸收大量波長(zhǎng)較短的波；

2.皮膚上的水份也會(huì)吸收大量的UV和IR部分的光；

3.進(jìn)入皮膚組織的綠光(500nm)——黃光(600nm)大部分會(huì)被紅細(xì)胞吸收；

4.紅光和接近IR的光相比其他波長(zhǎng)的光更容易穿過(guò)皮膚組織；

5.血液要比其他組織吸收更多的光；

6.相比紅光，綠（綠-黃）光能被氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收；

總體來(lái)說(shuō)，綠光——紅光能作為測(cè)量光源。早期多數(shù)采用紅光為光源，隨著進(jìn)一步的研究和對(duì)比，綠光作為光源得到的信號(hào)更好，信噪比也比其他光源好些，所以現(xiàn)在大部分穿戴設(shè)備采用綠光為光源。但是考慮到皮膚情況的不用（膚色、汗水），高端產(chǎn)品會(huì)根據(jù)情況自動(dòng)使用換綠光、紅光和IR多種光源。

雖然知道了上面的幾個(gè)特點(diǎn)，但是還不足以弄清楚為什么通過(guò)光照就能測(cè)出心率、血氧等參數(shù)呢？

當(dāng)光照透過(guò)皮膚組織然后再反射到光敏傳感器時(shí)光照有一定的衰減的。像肌肉、骨骼、靜脈和其他連接組織等等對(duì)光的吸收是基本不變的（前提是測(cè)量部位沒(méi)有大幅度的運(yùn)動(dòng)），但是血液不同，由于動(dòng)脈里有血液的流動(dòng)，那么對(duì)光的吸收自然也有所變化。當(dāng)我們把光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)時(shí)，正是由于動(dòng)脈對(duì)光的吸收有變化而其他組織對(duì)光的吸收基本不變，得到的信號(hào)就可以分為直流DC信號(hào)和交流AC信號(hào)。提取其中的AC信號(hào)，就能反應(yīng)出血液流動(dòng)的特點(diǎn)。我們把這種技術(shù)叫做光電容積脈搏波描記法PPG。

光學(xué)心率傳感器的作用

穿戴設(shè)備的大熱，使得心率測(cè)量隨之大為盛行。而當(dāng)前的心率測(cè)量無(wú)非于兩方面的作用：

一是反應(yīng)我們的身體健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能與心臟有關(guān)的問(wèn)題。

二是對(duì)于健身愛(ài)好者的運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)，通過(guò)了解心率狀況以便對(duì)鍛煉強(qiáng)度進(jìn)行控制，避免身體“吃不消”。

也許，對(duì)一個(gè)心率正常的人來(lái)說(shuō)，追蹤心率的意義不大。但相信隨著移動(dòng)心率測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，便攜式心率設(shè)備終將在我們的生活中發(fā)揮舉足輕重的作用。

光學(xué)式心率傳感器到底有多準(zhǔn)？

外媒曾測(cè)試了幾款主流的心率監(jiān)測(cè)手表及腕帶，并將數(shù)據(jù)與Polar V800及Suunto Ambit3兩款心率帶所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試者同時(shí)佩戴智能手表/腕帶和心率帶，進(jìn)行數(shù)次多公里的慢跑運(yùn)動(dòng)，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行最終對(duì)比。

Polar心率帶與Garmin Forerunner225運(yùn)動(dòng)手表心率數(shù)據(jù)對(duì)比

Polar心率帶（橙色）與阿迪達(dá)斯miCoach運(yùn)動(dòng)手表（藍(lán)色）心率數(shù)據(jù)對(duì)比

Suunto心率帶（橙色）與Basis Peak（藍(lán)色）心率數(shù)據(jù)對(duì)比

首先，是Polar心率帶與Garmin Forerunner 225運(yùn)動(dòng)手表的對(duì)比，可以看到曲線圖前端擁有較大差異，而在跑步中途、心率逐漸平穩(wěn)的狀態(tài)下，錯(cuò)誤率約為10%。而阿迪達(dá)斯miCoach運(yùn)動(dòng)手表的準(zhǔn)確率約為86%，錯(cuò)誤率為14%；Basis Peak則最不準(zhǔn)確，平均錯(cuò)誤率達(dá)到了25%。

不過(guò)，測(cè)試方也表示，這并非一項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的測(cè)試，基礎(chǔ)是建立在心率帶在不運(yùn)動(dòng)、或慢跑時(shí)更為準(zhǔn)確。

顯然，非官方和醫(yī)療級(jí)別的測(cè)試均說(shuō)明，目前采用光學(xué)心率傳感器的智能手表、腕帶、手機(jī)的準(zhǔn)確性并不是100%，畢竟人體是一個(gè)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

影響光電式心率傳感器設(shè)備測(cè)量的主要因素

光線干擾

事實(shí)上，光電式心率測(cè)量設(shè)備最大的技術(shù)障礙是如何將生物特征信號(hào)從干擾中分離出來(lái)，特別是運(yùn)動(dòng)干擾。不幸的是，當(dāng)把光線射入一個(gè)人的皮膚時(shí)，只有一小部分光量子返回給傳感器，并且收集的所有光量子，只有百分之一或千分之一是由心臟收縮的血流量調(diào)節(jié)的，剩下的都分散在非搏動(dòng)性生理物質(zhì)上，例如皮膚、肌肉、肌腱等等。因此，當(dāng)這些非搏動(dòng)性生理物質(zhì)四處移動(dòng)，比如在鍛煉或者日常生活活動(dòng)中，由此導(dǎo)致的光線隨著時(shí)間變化運(yùn)動(dòng)躁動(dòng)分散是很難從光線隨著真實(shí)血流量的分散中區(qū)分出來(lái)的。周?chē)饩€干擾還加劇這個(gè)問(wèn)題的嚴(yán)重性，比如隨著時(shí)間的變化，太陽(yáng)光的干擾可以完全滲透到光電探測(cè)器中，甚至創(chuàng)造出近似生理性質(zhì)的脈動(dòng)信號(hào)。

膚色

人類擁有非常多種不同的漂亮膚色，多到以至于菲氏量表為膚色數(shù)值分類和對(duì)紫外線的反應(yīng)而提供了7個(gè)類型的標(biāo)準(zhǔn)。不同的膚色對(duì)光的吸收是不同的，因此每一種膚色的特點(diǎn)在于都有不同的吸光圖譜。那么，這意味著光電式心率測(cè)量設(shè)備傳感器捕獲的光的強(qiáng)度和波長(zhǎng)是取決于穿戴傳感器的人的膚色的。例如，深色皮膚吸收綠色光較多，這也表明了為什么大多數(shù)設(shè)備采用綠色LED作為光線發(fā)射器，限制了透過(guò)深色皮膚準(zhǔn)確測(cè)量心率的能力的問(wèn)題。這同樣暴露出透過(guò)紋身的皮膚測(cè)量心率的問(wèn)題，這也是蘋(píng)果被人們?cè)嵅〉摹凹y身門(mén)”，手腕有紋身的蘋(píng)果手表用戶發(fā)現(xiàn)顯示屏上的數(shù)據(jù)顯示非常微弱，甚至沒(méi)有。

交叉問(wèn)題

光電式心率監(jiān)測(cè)器存在由于周期性活動(dòng)期間的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的交叉干擾方面的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題面臨的最大的挑戰(zhàn)是這種活動(dòng)帶來(lái)持續(xù)性的相同重復(fù)的動(dòng)作。這點(diǎn)在記錄慢跑和跑步期間的步伐頻率時(shí)最常見(jiàn)，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)通常與心跳頻率（140-180下／步數(shù)每分鐘）處于同一個(gè)基本區(qū)間里。許多光電式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備面臨的這個(gè)問(wèn)題使得運(yùn)算法則很容易將通過(guò)光電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄入的步伐速率錯(cuò)誤解讀成心率。這就是為人所知的“交叉問(wèn)題”，因?yàn)樵趫D表上查看這些數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)心率和步伐速率發(fā)生重疊，許多光電式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備傾向于鎖定步伐速率并將其顯示為心率，盡管心率可能會(huì)在重疊后發(fā)生巨大改變。這個(gè)交叉干擾的問(wèn)題在蘋(píng)果表上體現(xiàn)很明顯。

和其他腕部的光電式心率測(cè)量設(shè)備技術(shù)相比，很明顯蘋(píng)果表在“交叉”時(shí)顯示的心率監(jiān)測(cè)失敗，標(biāo)簽1到4人的步伐速率和心率相似，蘋(píng)果的數(shù)字信號(hào)不能將它們區(qū)分開(kāi)來(lái)。第2處交叉有超過(guò)兩分鐘把心率讀成了步伐速率。

傳感器在人體上的位置

設(shè)備在人體上使用時(shí)面臨的獨(dú)有的挑戰(zhàn)是位置的不同會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生顯著的區(qū)別。最主要集中在三個(gè)部位：

1、耳朵－－在音頻耳塞里

2、胳膊－－在上臂臂章上部或者下臂上

3、手腕－－在智能手表或者運(yùn)動(dòng)追蹤器上

事實(shí)表明，腕部是最不能做到精確測(cè)量的部位之一。因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域（肌肉、肌腱、骨頭等等）會(huì)產(chǎn)生更高的光線干擾，并且血管結(jié)構(gòu)有高度的變異性。前臂部位被認(rèn)為是更好的選擇，因?yàn)樵谀抢锏钠つw表面有更高的血管密度。然而，對(duì)于光電式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)說(shuō)，耳朵是至今為止被認(rèn)為最佳的部位。因?yàn)槟抢镏挥熊浌呛兔?xì)血管，即使身體在運(yùn)動(dòng)也不會(huì)移動(dòng)太多，因此大大減少了必須被過(guò)濾的光線的干擾。

上圖表明生物識(shí)別耳機(jī)和胸帶都能很好的排列，而腕部的光電式心率測(cè)量設(shè)備則做不到。

低灌注

灌注是身體將血液運(yùn)送到毛細(xì)血管床的過(guò)程。在膚色上，不同種族之間灌注的水平是有極大差別的，像肥胖、糖尿病、心臟疾病和動(dòng)脈疾病等問(wèn)題都會(huì)降低血液灌注水平。低水平灌注，特別是在四肢上，會(huì)對(duì)光電式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備形成挑戰(zhàn)，因?yàn)樾盘?hào)和干擾的比率可能會(huì)大幅降低，低水平灌注和低水平的血流信號(hào)是相關(guān)聯(lián)的。不幸的是，低水平灌注在當(dāng)今社會(huì)太常見(jiàn)了。所以，這也是一個(gè)很大的問(wèn)題。幸運(yùn)的是，在大多數(shù)由于低水平灌注導(dǎo)致光電式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備失敗的案例中，心臟信號(hào)會(huì)在幾分鐘的熱身后重新恢復(fù)，即開(kāi)始動(dòng)脈血流流入毛細(xì)血管和小動(dòng)脈的新循環(huán)。

光學(xué)式心率傳感器使用時(shí)的注意要點(diǎn)

盡管現(xiàn)在市場(chǎng)上絕大部分的心率測(cè)量穿戴設(shè)備都采用的是PPG的測(cè)量原理，無(wú)論是從測(cè)量還是使用上來(lái)看都比較方便。但唯獨(dú)在測(cè)量精度、穩(wěn)定性方面卻時(shí)常表現(xiàn)得不盡如人意，誤差較大。

在腕帶式心率測(cè)量設(shè)備的使用過(guò)程中，通常會(huì)要求攜帶者佩戴嚴(yán)實(shí)，以避免漏光而使得環(huán)境光線對(duì)測(cè)量產(chǎn)生干擾。

此外，皮膚的顏色、毛發(fā)和汗液也多多少少會(huì)對(duì)測(cè)量造成影響。一般來(lái)說(shuō)，膚色越深的人光線越是難以穿透。而膚色越淺的人，反射光則在明亮的光束下又越容易散掉。為此，我們也從用戶反饋中窺得其中端倪。

影響光學(xué)心率測(cè)量設(shè)備精度的還有另一個(gè)重要因素，那就是測(cè)量點(diǎn)的選擇。由于腕部毛細(xì)血管狹窄，當(dāng)血液循環(huán)至此時(shí)，流速已經(jīng)慢了下來(lái)，無(wú)法真實(shí)反映及時(shí)心率。從上面的一個(gè)例子不難發(fā)現(xiàn)，人體指尖也是準(zhǔn)確測(cè)量心率的一個(gè)絕佳位置。甚至有實(shí)驗(yàn)顯示，在指尖處測(cè)量心率的精度要比手腕處高。這主要是因?yàn)橹讣庥幸粭l直通心臟的動(dòng)脈血管，血液的流速緊隨心臟每一次的怦動(dòng)。而指尖皮膚呈半透明，有利于光的穿透，這進(jìn)一步方便了光學(xué)傳感器在指尖的讀數(shù)。

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