如今，以智能手環(huán)和智能手表為代表的智能穿戴產(chǎn)品配備的心率監(jiān)測(cè)功能正被越來越多人接受，甚至有的人早已把它當(dāng)作了選擇產(chǎn)品的必備功能之一。那么，智能穿戴設(shè)備是如何監(jiān)測(cè)心率的呢?今天，就來聊聊心率監(jiān)測(cè)那些事兒。

為什么要測(cè)量心率?

作為人體最重要的生命體征之一，每個(gè)人的心率都會(huì)因年齡、性別及其他生理情況的不同而不同。一般而言，正常成年人安靜時(shí)的心率平均在75次/分左右(60~100次/分之間)。同一個(gè)人，在安靜或睡眠時(shí)心率減慢，運(yùn)動(dòng)時(shí)或情緒激動(dòng)時(shí)心率加快，在某些藥物或神經(jīng)體液因素的影響下，會(huì)使心率發(fā)生加快或減慢。經(jīng)常進(jìn)行體力勞動(dòng)和體育鍛煉的人，平時(shí)心率較慢。

具體來說，影響心率變化的因素主要是三大調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即自身調(diào)節(jié)、體液調(diào)節(jié)、神經(jīng)調(diào)節(jié)。心率的變化能直接或間接地反映人體多方面的健康狀態(tài)，這就是測(cè)量心率的意義。放在智能穿戴領(lǐng)域，測(cè)量心率的意義則主要表現(xiàn)在三個(gè)方面。

首先是運(yùn)動(dòng)方面，心率可以體現(xiàn)用戶運(yùn)動(dòng)時(shí)身體的真實(shí)信息，如果心率太高運(yùn)動(dòng)太劇烈，用戶的身體水分蒸發(fā)太快，那么這種運(yùn)動(dòng)對(duì)身體無益，如果只是輕度運(yùn)動(dòng)心率不夠高，用戶也就不可能燃燒足夠卡路里。

其次是疾病方面，通過監(jiān)測(cè)靜息心率是否在正常范圍、日?；顒?dòng)中監(jiān)測(cè)心臟停搏、心率異常增高等可起到及時(shí)預(yù)防疾病的作用，甚至通過心電監(jiān)測(cè)心率還能檢測(cè)到心律是否異常。此外，通過指尖光電容積脈搏波描記法還可以監(jiān)測(cè)脈搏波變化，以分析脈率、血氧濃度，糖尿病患者的微循環(huán)外周血管狀態(tài)等。

最后是精神方面，通過監(jiān)測(cè)到的心率變異性，可分析自主神經(jīng)功能評(píng)估，如精神壓力、緊張與放松程度以及睡眠質(zhì)量等。

心率監(jiān)測(cè)如何實(shí)現(xiàn)?

作為21世紀(jì)的新興產(chǎn)物—智能穿戴產(chǎn)品，因其特定的使用場(chǎng)景和佩戴要求，應(yīng)用在該領(lǐng)域的心率監(jiān)測(cè)技術(shù)目前主要有光電容積脈搏波描記法，簡稱光電法、心電信號(hào)法、壓力振蕩法、圖像信號(hào)分析法等幾類。

光電法

簡單來說，這種測(cè)量心率的方法就是基于物質(zhì)對(duì)光的吸收原理，通過智能穿戴設(shè)備的綠色LED燈搭配感光光電二極管照射血管一段時(shí)間，由于血液是紅色的，它可以反射紅光吸而收綠光，在心臟跳動(dòng)時(shí)，血液流量增多，綠光的吸收量會(huì)隨之變大;處于心臟跳動(dòng)的間隙時(shí)血流會(huì)減少，吸收的綠光也會(huì)隨之降低。因此，根據(jù)血液的吸光度可測(cè)量心率。

具體而言，當(dāng)一定波長的光束照射到皮膚表面時(shí)，光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收器，在此過程中由于受到皮膚肌肉和血液吸收的衰減作用，檢測(cè)器監(jiān)測(cè)到光的強(qiáng)度將減弱。其中人體的皮膚、骨骼、肉、脂肪等對(duì)光的反射是固定值，而毛細(xì)血管和動(dòng)靜脈則在心臟的作用下隨著脈搏容積不停變大變小。當(dāng)心臟收縮時(shí)，外周血容量最多、光吸收量也最大，檢測(cè)到的光強(qiáng)度最小;而在心臟舒張時(shí)，正好相反，檢測(cè)到的光強(qiáng)度最大，使光接收器接收到的光強(qiáng)度隨之呈脈動(dòng)性變化。

大部分智能手表都采用了光電法監(jiān)測(cè)心率，它們的明顯特征是傳感器部位配備了綠色LED燈。

這種測(cè)量原理的光電傳感器有很多種，根據(jù)光信號(hào)接收位置的不同，光電法又可分為透射和反射兩種模式。

1透射式光電法

透射式光電法指的是可穿戴設(shè)備上的發(fā)生器(emitter)和光敏接收器(detector)位于所測(cè)部位的兩側(cè)(通常由一個(gè)夾子固定)，入射光穿過皮膚進(jìn)入深層組織，除了被皮膚、肌肉、血液、骨骼等吸收外，剩下部分的光線透射被光敏接收器感知。根據(jù)其原理，這種方法適用的測(cè)量部位是人體兩面距離比較短的組織，如耳垂、手指、腳趾等，而具有代表性的智能穿戴產(chǎn)品就是那些耳夾式心率監(jiān)測(cè)儀、指甲式血氧儀等。

采用透射式光電法的智能穿戴產(chǎn)品通常以一個(gè)夾子固定。

這一監(jiān)測(cè)方法的產(chǎn)品在外形上通常采取密封暗盒的結(jié)構(gòu)，能很好的減少外源性的光干擾，從而提高測(cè)量精度和穩(wěn)定性。由于其信噪比高、信號(hào)穩(wěn)定，除了測(cè)量心率之外還可以通過波形分析心搏功能、血液流動(dòng)等諸多心血管生理信息。缺點(diǎn)是，不適合應(yīng)用在智能手環(huán)、智能手表上，而應(yīng)用在耳垂、腳趾等部位的產(chǎn)品又會(huì)有穿戴不舒適的感覺。

2反射式光電法

與透射式光電法剛好相反，反射式光電法中，可穿戴設(shè)備上的發(fā)生器(emitter)和光敏接收器(detector)位于所測(cè)部位的同一側(cè)，主要測(cè)量反射回來的光。這種方法測(cè)量心率的優(yōu)點(diǎn)是非常簡便，對(duì)測(cè)量部位的要求也很低，只要組織比較平滑且皮下脂肪少的的地方幾乎都可以測(cè)量，比如額頭、手腕。因此，大部分智能手環(huán)、智能手表等穿戴設(shè)備都采用了這種方法測(cè)量心率。而且，以智能手環(huán)或智能手表的產(chǎn)品形式出現(xiàn)也完美地解決了透射式光電法中心率監(jiān)測(cè)與佩戴舒適的雙重要求。

不過，反射式光電法雖然在穩(wěn)定狀態(tài)下表現(xiàn)良好，但是當(dāng)設(shè)備戴在手腕末端，會(huì)隨著使用者走路或無規(guī)則運(yùn)動(dòng)而像鐘擺一般上下蕩，離心力將使得血液量出現(xiàn)大變化;當(dāng)血管收縮壓與離心力在血液中交互作用，就更難分辨血管中的血量。因此可能降低心率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。此外，可穿戴設(shè)備佩戴的松緊和人體皮膚血流量的大小也會(huì)影響到監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度。

心電信號(hào)法

心電信號(hào)法其實(shí)就是醫(yī)療級(jí)別常用的最準(zhǔn)確的測(cè)量心率的方法。心臟在每個(gè)心動(dòng)周期中，由起搏點(diǎn)、心房、心室相繼興奮，伴隨著無數(shù)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位變化，這些生物電的變化稱為心電，而通過心電的周期性變化便可以檢測(cè)到心率。除了心率，心電圖還可以提供包括心臟功能障礙、心臟疾病、以及心臟功能恢復(fù)情況、患者的軀體和心理壓力情況等。

對(duì)于智能穿戴設(shè)備來說，配備的傳感器可以通過測(cè)量心肌收縮的電信號(hào)來判斷使用者的心率情況，原理和心電圖類似，這種方法的準(zhǔn)確度非常高，但缺點(diǎn)是電路比較復(fù)雜，占PCB空間比較大，易受電磁干擾，同時(shí)傳感器必須緊貼皮膚，放置位置相對(duì)固定，所以采用這種測(cè)量方式的智能穿戴產(chǎn)品并不多見。

心電圖導(dǎo)聯(lián)體系。

壓力振蕩法和圖像信號(hào)分析法

壓力振蕩法主要應(yīng)用在電子血壓計(jì)上，血壓計(jì)袖帶給手臂加壓，通過薄膜壓力傳感器探測(cè)動(dòng)脈血管的搏動(dòng)振幅進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，從而測(cè)量血壓與脈率(根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)有多少個(gè)脈搏波計(jì)算出心率)。圖像信號(hào)分析法主要是利用臉部圖像估測(cè)心率。因?yàn)?，心臟跳動(dòng)時(shí)人臉上的顏色會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的變化，而且胸口和肩膀也有細(xì)微的動(dòng)作，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行可以估測(cè)心率和呼吸頻率。美國麻省理工學(xué)院推出的Vital-Radio則是由路由器發(fā)出Wi-Fi信號(hào)，當(dāng)信號(hào)遇到周圍的人或者物體的時(shí)候就會(huì)馬上反彈，通過特殊的算法可計(jì)算出每次信號(hào)的反射速度，以此來判斷有無生命物體，如果是生命體的話，這款產(chǎn)品就會(huì)記錄人體心率和呼吸頻率。

這兩種方法對(duì)使用者要求較高，僅限于人體相對(duì)靜止的情況，方法不當(dāng)結(jié)果也會(huì)差很多，甚至患有某些心血管疾病的病人測(cè)量結(jié)果不太準(zhǔn)確。因此，智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域采用這兩種方法測(cè)量心率的產(chǎn)品非常少。

智能穿戴產(chǎn)品該怎么選?

看完上面介紹的這些心率監(jiān)測(cè)方法，那么消費(fèi)者到底該選哪一種智能穿戴設(shè)備好呢?

對(duì)于智能穿戴設(shè)備廠商來說，這取決于產(chǎn)品的市場(chǎng)定位。如果定位為一款時(shí)尚手環(huán)，那么其監(jiān)測(cè)心率的功能很多時(shí)候只是一種點(diǎn)綴，用戶使用的大多數(shù)功能可能是看時(shí)間、短信推送、記步等，這時(shí)候僅僅需要能提供靜態(tài)心率功能就足夠了。如果是運(yùn)動(dòng)手表，光電法以其便捷性和穿戴舒適性取勝;主要應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)方向，那么通過光電法監(jiān)測(cè)的心率準(zhǔn)確率基本上可以滿足需求。此外，對(duì)于普通的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)需求，運(yùn)動(dòng)手表需要做到動(dòng)態(tài)心率功能，及能實(shí)時(shí)的長時(shí)監(jiān)測(cè)心率，并且需要在運(yùn)動(dòng)過程中能較好地排除由運(yùn)動(dòng)造成的心率信號(hào)干擾。因此，采用加速度計(jì)等補(bǔ)償算法是更好的選擇。

國外一項(xiàng)將Apple Watch與專業(yè)心率監(jiān)測(cè)器Mio Alpha對(duì)比測(cè)試的研究表明，Apple Watch心率監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度可媲美Mio Alpha。

對(duì)于普通消費(fèi)者來說，目前世面上絕大部分智能穿戴產(chǎn)品的心率監(jiān)測(cè)功能都較為準(zhǔn)確，作為普通人運(yùn)動(dòng)和健身監(jiān)測(cè)的工具綽綽有余。因此，只需要按照自己心里預(yù)估價(jià)位、個(gè)人喜好等特點(diǎn)挑選即可。不過，對(duì)于相對(duì)專業(yè)的運(yùn)動(dòng)員來說，建議佩戴測(cè)心電信號(hào)的心率胸帶，因?yàn)檫@類產(chǎn)品的準(zhǔn)確度更高，可以通過監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的心率變異性以提供更多的健康指標(biāo)。