【了不起的芯片】智能手表：你的血氧，芯片知道

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這一期，我們聊一聊智能手表的那些事兒。

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十年前，智能手環(huán)還只能實現(xiàn)計步器功能。今天的智能手表已經(jīng)進化到了“想怎么練，都奉陪”的地步。心率監(jiān)測只是標配，有的設備還具有FDA批準的心電圖檢測。甚至還有新冠病毒感染目前剛轉(zhuǎn)為“乙類乙管”下，對于自我健康檢測十分有用的──血氧監(jiān)測功能！

雖說智能手環(huán)/手表作為非醫(yī)規(guī)級產(chǎn)品，和醫(yī)規(guī)級設備的差距不是一丁半點。但方便日常隨手使用的小小手環(huán)，是如何實現(xiàn)監(jiān)測的呢？靠的是穿戴設備中的光學心率傳感器芯片。

正常人的心跳和脈搏相對應，一次心跳對應一次脈搏，所以古人常通過扣觸手腕處脈搏的跳動來了解心率。

那手表又是如何測量皮膚之下脈搏的跳動的呢？通過可實現(xiàn)光電容積描記法（Photoplethysmographic，簡稱PPG）的芯片。簡單來說，就是基于物質(zhì)對光的吸收原理，通過智能手環(huán)/手表的綠色LED燈搭配感光光電二極管，用光檢測一段時間血管的擴張收縮。由于血液是紅色的，它可以反射紅光而吸收綠光，在心臟跳動時，血液流量增多，綠光的吸收量會隨之變大；處于心臟跳動的間隙時血流會減少，吸收的綠光也會隨之降低。因此，根據(jù)血液的吸光度，心率檢測芯片可以測量出心率。其中，靜息心率的水平也可作為個人評估自己是否感染新冠病毒的參考。

絕大部分智能手環(huán)/手表都采用了光電法監(jiān)測心率，它們的明顯特征是傳感器部位配備了綠色LED燈，并且發(fā)生器和光敏接收器位于所測部位的同一側(cè)，主要測量反射回來的光。這種方法測量心率的優(yōu)點是非常簡便，對測量部位的要求也很低，只要組織比較平滑且皮下脂肪少的地方幾乎都可以測量，例如額頭、手腕。因此，大部分智能手環(huán)/手表等穿戴設備都采用這種心率傳感器芯片來測量心率，并完美解決心率監(jiān)測與佩戴舒適的雙重要求。

那為什么光電傳感器采用的都是綠光呢？因為皮膚的黑色素會吸收大量波長較短的波，而皮膚上的水份也會吸收大量的紫外和紅外部分光，只有進入皮膚組織的綠光(500nm)-黃光(600nm)大部分會被血液中的紅細胞吸收，因此綠光作為心率測量光源時得到的信號更好，信噪比也比其他光源好些，現(xiàn)在大部設備都采用綠光為光源。但如果考慮到皮膚情況的不同（膚色、汗水），高端產(chǎn)品（人民幣玩家）也會根據(jù)情況自動使用換綠光、紅光和紅外等多種光源。

PPG不僅僅能測量心率，還可以測量血氧飽和度、血壓、呼吸率。在獲取不同的PPG指標時，使用不同的波長即可。

血氧飽和度監(jiān)測的原理也是基于光學反射原理。人體所消耗的氧氣主要來源于血紅蛋白所攜帶的氧，通常用血氧飽和度來描述血液中的氧含量，即血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白的容量占全部可結(jié)合血紅蛋白容量的百分比。作為呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)，血氧檢測在新冠病毒感染后，進行檢測也顯得尤為重要。

智能手環(huán)和家用指夾式血氧檢測儀都是通過光電信號進行檢測的，不同于手環(huán)佩戴在手腕上并接受反射光，它通過指套式來接收透射光。由于血液里的氧合血紅蛋白對紅光吸收量較多，對紅外光吸收較少，而血紅蛋白對紅外光吸收較多，因此通過對比發(fā)射和接受的紅光、紅外光強度變化，得到光的吸收量，再結(jié)合處理器芯片的內(nèi)置算法便可大致計算得到氧合血紅蛋白以及未結(jié)合氧氣的血紅蛋白，進而得到經(jīng)皮血氧飽和度(SpO2)。不過，智能手環(huán)的血氧功能目前仍有待研發(fā)出更準確的測量。

除了光電容積描記法，還有心電信號測量法（ECG）。

由于人的心臟在每個心動周期（從一次心跳的起始到下一次心跳的起始，心血管系統(tǒng)所經(jīng)歷的過程）中，心房、心室相繼興奮，伴隨著無數(shù)心肌細胞的相繼動作，從而會引起電位變化，這些生物電的變化稱為心電。每次心跳，人的體表都會有微小的電極變化，捕捉到這些周期性的電極變化，再經(jīng)過心電ECG專用芯片的算法就可以還原出心率跳動的頻率，來實現(xiàn)心率的實時監(jiān)測。

心電信號測量法與醫(yī)院常用的心電圖檢測類似，不同的是醫(yī)院需要在心口、腳上、手腕上都加上電極，以測量更多的數(shù)據(jù)。但智能手環(huán)/手表所需連接的電極片少了很多。相較醫(yī)院心電圖為10個電極（12導聯(lián)），由于這種方式下測量出來的心電圖是非標準導聯(lián)的，因此現(xiàn)階段還沒有診斷價值。

常使用的反射式PPG，其核心器件光學心率傳感器是多傳感器的集成，主要包含光發(fā)射器、光電二極管、模擬前端、加速度計等多個元器件?？v使硬件性能已登峰造極，但可穿戴設備的PPG測量受各項干擾因素影響大，并且不同人群的身體狀況都不一樣，佩戴是否牢固、周圍電磁干擾、皮膚狀態(tài)不同（包括體毛、紋身、傷疤等因素）、漏光、環(huán)境光的干擾、動態(tài)光的偽像……都會增加可穿戴設備精準測量的難度。

盡管智能手表的精準度不能媲美醫(yī)療級的心率監(jiān)測設備，但通過先進的健康傳感器芯片，便攜的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測可以給消費者長期的日常健康數(shù)據(jù)參考，并且智能提醒站立、走動和運動……幫助人們?nèi)轿欢床熳陨斫】禒顩r。

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