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，昔日最原始的計步器已經(jīng)被升級版設備所替代，更新的設備配備測高計和加速度計等，幾乎可以追蹤一切行為，從用戶(hù)爬了多少個(gè)臺階到用戶(hù)昨晚的睡眠質(zhì)量如何等，基本全面覆蓋。

 

 

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。穿戴設備通過(guò)光學(xué)心率傳感器檢測特定時(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)數百次，計算出每分鐘的心跳次數，也就是心率。

 

 

當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換成電信號再經(jīng)過(guò)AD轉換成數字信號，簡(jiǎn)化過(guò)程：光--> 電--> 數字信號

 

 

大多數設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一下幾個(gè)特點(diǎn)：

 

 

總體來(lái)說(shuō)，綠光——紅光能作為測量光源。早起多數采用紅光為光源，隨著(zhù)進(jìn)一步的研究和對比，綠光作為光源得到的信號更好，信噪比也比其他光源好些，所以現在大部分穿戴設備采用綠光為光源。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)光照就能測出心率、血氧等參數呢？

 

 

當光照透過(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光的吸收是基本不變的（前提是測量部位沒(méi)有大幅度的運動(dòng)），但是血液不同，由于動(dòng)脈里有血液的流動(dòng)，那么對光的吸收自然也有所變化。當我們把光轉換成電信號時(shí)，正是由于動(dòng)脈對光的吸收有變化而其他組織對光的吸收基本不變，得到的信號就可以分為直流DC信號和交流AC信號。提取其中的AC信號，就能反應出血液流動(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。

 

 

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

 

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

 

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

 

也許，對一個(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(zhù)移動(dòng)心率測量技術(shù)的發(fā)展，便攜式心率設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？

 

外媒曾測試了幾款主流的心率監測手表及腕帶，并將數據與Polar V800及Suunto Ambit3兩款心率帶所獲得數據進(jìn)行對比。測試者同時(shí)佩戴智能手表/腕帶和心率帶，進(jìn)行數次多公里的慢跑運動(dòng)，然后將數據進(jìn)行最終對比。

 

Polar心率帶與Garmin Forerunner225運動(dòng)手表心率數據對比

 

Polar心率帶（橙色）與阿迪達斯miCoach運動(dòng)手表（藍色）心率數據對比

 

Suunto心率帶（橙色）與Basis Peak（藍色）心率數據對比

 

首先，是Polar心率帶與Garmin Forerunner 225運動(dòng)手表的對比，可以看到曲線(xiàn)圖前端擁有較大差異，而在跑步中途、心率逐漸平穩的狀態(tài)下，錯誤率約為10%。而阿迪達斯miCoach運動(dòng)手表的準確率約為86%，錯誤率為14%；Basis Peak則最不準確，平均錯誤率達到了25%。

 

不過(guò)，測試方也表示，這并非一項科學(xué)實(shí)驗室級別的測試，基礎是建立在心率帶在不運動(dòng)、或慢跑時(shí)更為準確。

 

顯然，非官方和醫療級別的測試均說(shuō)明，目前采用光學(xué)心率傳感器的智能手表、腕帶、手機的準確性并不是100%，畢竟人體是一個(gè)非常復雜的結構。不過(guò)，此前也有媒體稱(chēng)，Aapple Watch在與心率帶的測試中獲得了99%的數據同步率，證明其光學(xué)心率傳感器擁有極高的準確性，這可能是該領(lǐng)域的一個(gè)進(jìn)步。

 

 

 

事實(shí)上，光電式心率測量設備最大的技術(shù)障礙是如何將生物特征信號從干擾中分離出來(lái)，特別是運動(dòng)干擾。不幸的是，當把光線(xiàn)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節的，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，由此導致的光線(xiàn)隨著(zhù)時(shí)間變化運動(dòng)躁動(dòng)分散是很難從光線(xiàn)隨著(zhù)真實(shí)血流量的分散中區分出來(lái)的。周?chē)饩€(xiàn)干擾還加劇這個(gè)問(wèn)題的嚴重性，比如隨著(zhù)時(shí)間的變化，太陽(yáng)光的干擾可以完全滲透到光電探測器中，甚至創(chuàng )造出近似生理性質(zhì)的脈動(dòng)信號。

 

 

 

人類(lèi)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值分類(lèi)和對紫外線(xiàn)的反應而提供了7個(gè)類(lèi)型的標準。不同的膚色對光的吸收是不同的，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(zhù)光電式心率測量設備傳感器捕獲的光的強度和波長(cháng)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設備采用綠色LED作為光線(xiàn)發(fā)射器，限制了透過(guò)深色皮膚準確測量心率的能力的問(wèn)題。這同樣暴露出透過(guò)紋身的皮膚測量心率的問(wèn)題，這也是蘋(píng)果被人們詬病的“紋身門(mén)”，手腕有紋身的蘋(píng)果手表用戶(hù)發(fā)現顯示屏上的數據顯示非常微弱，甚至沒(méi)有。

 

 

 

光電式心率監測器存在由于周期性活動(dòng)期間的運動(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是這種活動(dòng)帶來(lái)持續性的相同重復的動(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)，因為這些數據通常與心跳頻率（140-180下／步數每分鐘）處于同一個(gè)基本區間里。許多光電式心率監測設備面臨的這個(gè)問(wèn)題使得運算法則很容易將通過(guò)光電監測數據錄入的步伐速率錯誤解讀成心率。這就是為人所知的“交叉問(wèn)題”，因為在圖表上查看這些數據時(shí)，當心率和步伐速率發(fā)生重疊，許多光電式心率監測設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)果表上體現很明顯。

 

 

和其他腕部的光電式心率測量設備技術(shù)相比，很明顯蘋(píng)果表在“交叉”時(shí)顯示的心率監測失敗，標簽1到4人的步伐速率和心率相似，蘋(píng)果的數字信號不能將它們區分開(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。

 

 

設備在人體上使用時(shí)面臨的獨有的挑戰是位置的不同會(huì )導致測量數據產(chǎn)生顯著(zhù)的區別。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－－在智能手表或者運動(dòng)追蹤器上

 

事實(shí)表明，腕部是最不能做到精確測量的部位之一。因為這個(gè)區域（肌肉、肌腱、骨頭等等）會(huì )產(chǎn)生更高的光線(xiàn)干擾，并且血管結構有高度的變異性。前臂部位被認為是更好的選擇，因為在那里的皮膚表面有更高的血管密度。然而，對于光電式心率監測設備來(lái)說(shuō)，耳朵是至今為止被認為最佳的部位。因為那里只有軟骨和毛細血管，即使身體在運動(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(xiàn)的干擾。特別是，密集的動(dòng)脈集合存在于抗耳屏耳和外耳之間。

 

 

上圖表明生物識別耳機和胸帶都能很好的排列，而腕部的光電式心率測量設備則做不到。

 

 

灌注是身體將血液運送到毛細血管床的過(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 )對光電式心率監測設備形成挑戰，因為信號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是相關(guān)聯(lián)的。不幸的是，低水平灌注在當今社會(huì )太常見(jiàn)了。所以，這也是一個(gè)很大的問(wèn)題。幸運的是，在大多數由于低水平灌注導致光電式心率監測設備失敗的案例中，心臟信號會(huì )在幾分鐘的熱身后重新恢復，即開(kāi)始動(dòng)脈血流流入毛細血管和小動(dòng)脈的新循環(huán)。

 

 

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

 

 

在腕帶式心率測量設備的使用過(guò)程中，通常會(huì )要求攜帶者佩戴嚴實(shí)，以避免漏光而使得環(huán)境光線(xiàn)對測量產(chǎn)生干擾。

 

此外，皮膚的顏色、毛發(fā)和汗液也多多少少會(huì )對測量造成影響。一般來(lái)說(shuō)，膚色越深的人光線(xiàn)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(hù)反饋中窺得其中端倪。一位Samsung Gear 2的黑人用戶(hù)表示：膚色深的人根本用不了！我膚色還不算最深的，但是設備卻沒(méi)有一次能正常工作。而當我把傳感器移到指尖（手上膚色較淺的地方），設備就能好好運作。

 

影響光學(xué)心率測量設備精度的還有另一個(gè)重要因素，那就是測量點(diǎn)的選擇。由于腕部毛細血管狹窄，當血液循環(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，人體指尖也是準確測量心率的一個(gè)絕佳位置。甚至有實(shí)驗顯示，在指尖處測量心率的精度要比手腕處高。這主要是因為指尖有一條直通心臟的動(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。

 

本文轉載自傳感器技術(shù)。