为什么我选择心率带,而不选心率手环?

发表于讨论求助 2023-05-10 14:56:27

行者闰土

硬件工程师。中文名字叫“闰土”，英文名字叫"rain too"，是一个明明可以靠脸吃饭却还埋头苦干的工程师。连续两年出镜《新闻联播》。

在运动时使用心率监测，可以快速清楚地反映运动时的身体信息，不会因进入危险的无氧区域而造成身体损伤。让运动强度保持在适当的水平，能达到更好的健身效果。因此监测心率数据的精准性十分重要。那么，从测量心率的原理上，我们来分析如何获得准确的心率数据？

从目前阶段来看，测心率方法主要可以分三种。

第一种，光电容积脉搏波描记法（Photo Plethysmo Graphy ，PPG），是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法。当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时，光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器。

透射和反射的PPG

透射方式，通常因为接触压力较大会取得更高的信噪比，其实主要就是类似于传感器固定在皮肤上，不会有相对运动造成的噪声。此外对于测血氧含量的测量，也因为这个较大的接触压力可以减少静脉血体积变化的影响（毕竟我们测的是动脉中的血氧而不是静脉，静脉中的血氧通常低一些），从而降低动脉血氧的测量误差，而这一点是反射模式很难做到的。

一般来讲，完整的血氧饱和度仪往往有2种发光二极管，一种波长660nm，是可见光的红光，一种波长900多nm，是红外线。血管中携氧的血红蛋白和不携带氧的血红蛋白，对两种光的吸收率是不同的同时。血管中的氧含量，是有消耗——心脏泵血增加——再消耗这样的周期过程的，这个周期刚好与心率是一致的，由此测出心率。透射式可以获得血氧和心率两种信号，缺陷是要求人体组织需要足够薄才行，全身上下只有指尖和耳垂。手腕太厚所以腕表不适用此方案，目前市场上用此方案的主要有手指夹式测心率和带测试心率功能的耳机这两款产品。

反射方式，这种方案是追踪可见光（绿光）在人体组织中的反射，通常是两个绿色LED向人体发出可见光，因为外界温度变化对绿光造成的信号漂移是最小，然后中间有个光电传感器感应反射光。如下图

反射式PPG

人体的皮肤，骨骼，肉，脂肪等对光的反射是固定值，而毛细血管和动脉静脉由于随着脉搏容积不停变大变小，所以对光的反射是波动值。这个波动的频率就是脉搏，一般也跟心率是一致的。这种方法只能得到心率信号，但是相对对运动带来的噪声抵抗力比较强，很适合目前的运动腕表。市场上所有的腕表和手环几乎都是采用这个方法，至于精度，除了apple watch以外，其它的都是用的同一款飞利浦的专利传感器，唯一能做的花头无非就是加速度仪去补偿运动噪声的算法不同。也就是说，该方案的核心技术不在于传感器硬件，而是在于心率的软件算法。

用此方案的智能穿戴设备主要缺点：

1、如果手环或手表和皮肤直接有很多汗液，那数值就会不准确。
2、脉率在某种程度上不一定等于心率，特殊病人可能测出来不一致。
3、测量静息脉搏和正常有规则运动（跑步等）还是比较准的，但对于无规则的运动，如足球羽毛球等无规则运动，举例所说的假设数值会乱蹦，会稍微准确度下降。

第二种，心电信号法，类似于心电图（ECG）。心脏周围的组织和体液都能导电，因此可将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。心脏好比电源，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表。在体表很多点之间存在着电位差，也有很多点彼此之间无电位差是等电的。通过收集到的电极变化，经过算法处理，不仅可以获得心率值，还可以为诊断提供很多参考信息，大家去医院一般用的心电仪就是采用这个原理。目前市面上最精确的可穿戴心率测量仪器，心率带，也是采用这个方法。

ECG测量原理图

但是由于心电信号的波长非常长，为了测得足够精度的信号，信号电极和参考电极就必须在躯干空间上隔得足够远。一般是胸上比较远的两点，或左右手，或手和脚等。所以一般腕表和手环不会用这个方案。

至于心率带，根据材质也分硬性和软性两种材质，有柔性薄膜电极的数值会准确一些，柔性薄膜电极（导电橡胶）可以紧密的贴住前胸轮廓, 光滑的电极表面沾水后会产生很强的吸附性，牢牢地粘附在皮肤表面，运动流汗不但不会影响心率带的数据精准性，而且大大降低了运动中胸带位移摩擦对心率信号的干扰。

那么心电测量有什么缺点吗？

——有的，贵。你想想，你每次去医院体检做个心电图不要个百八十块么，处理复杂的数据，因为测得的是全身各个组织器官的数据，心率只是一个小小的部分。如果你只需要一个心率数据，我只能推荐你买一条心率带，省钱省事。

第三种，动脉血压法，最古老的方法，中医诊脉。在手腕或者颈部两侧，都可以经皮肤摸到动脉的压力有规律地涨落。通过压力传感器可以将这个信号变成心率。这个方案也是目前商用最不成熟的，原因一是压力传感器需要长期对穿戴者的动脉半压迫，有不适感。二是压力传感器难以以合适的方式固定在皮肤表面：固定地太紧会导致血流不畅，固定地太松又无法实现测量。这个问题在运动腕表设计中表现得格外明显。所以该方法一般只在医院中对手术中手术后的静息病人使用，故不展开说明了。

通过这三种方法的比较，不同人群对于自己智能穿戴设备的选择应该有更进一步的理解了吧。从目前阶段来看，纵使智能手环、手表的前景一片光明，但不得不说该产品的心率检测功能的出现，噱头远大于实际效用，若要准确的获得心率数据还是推荐用心率带。

行者心率带，你值得拥有！