科普:智能手环心率监测是什么原理?

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楼主 2021-08-20 07:02:00
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    随着人们生活水平的提高,越来越多的人开始重视健康监测。过去,许多体检项目只能在医院借助专业仪器做检测诊断,而伴随着智能穿戴热潮的到来,我们在家也能轻松完成这些检测,一些百元级别的智能手环、手表都配有心率监测传感器。那么,智能穿戴设备是如何监测心率的呢?今天,小普君以非医学专业人士的语言,来跟大家科普一下心率监测的原理。


心率监测的意义


心率是指正常人安静状态下每分钟的心跳次数,也叫安静心率,是人体最重要的生命体征之一。心脏就像一个水泵,通过收缩和舒张把血液输送到身体的各个部位。正常成年人安静时的心率平均在75次/分左右(60~100次/分之间)。同一个人,在安静或睡眠时心率减慢,运动时或情绪激动时心率加快,在某些药物或神经体液因素的影响下,会使心率发生加快或减慢。经常进行体力劳动和体育锻炼的人,平时心率较慢。



(PS: 目前利用人类生物体征进行密码验证的方法有不少,例如虹膜、指纹以及面部识别技术等。但这些都有可能被复制,唯独人的心率是伴随着人体存在,不可能与人体分离的。由于每个人的心脏大小不同 ,所以产生的心电图也是独一无二的。 当前,心率独特的生物特征被用在了一些高科技产品的身份识别上。)


而测量心率的意义则主要表现如下两个方面。

首先是运动方面,心率可以体现用户运动时身体的真实信息,以便对锻炼强度进行控制。如果心率太高运动太剧烈,用户的身体水分蒸发太快,那么这种运动对身体无益,如果只是轻度运动心率不够高,用户也就不可能燃烧足够卡路里。


其次是疾病方面,通过监测静息心率是否在正常范围、日常活动中监测心脏停搏、心率异常增高等可起到及时预防疾病的作用,甚至通过心电监测心率还能检测到心律是否异常。此外,通过指尖光电容积脉搏波描记法还可以监测脉搏波变化,以分析脉率、血氧浓度,糖尿病患者的微循环外周血管状态等。


心率监测如何实现?


目前心率监测的四种方法:

  1.。 通常是利用超声多普勒原理来检查心脏的搏动,常见的胎心仪就是这一原理。

  2.。 利用光透射或反射血管内流动的血液(脉搏)来检测脉率,通常情况下是等于心率的。目前绝大部分手环都是这一原理来检测心率,亦称光电法。

  3.。 就是大家通常说的ECG信号,它是有人体心脏搏动而产生的毫伏级电信号,大家看到体检的心电图,心率带等至少需要两个以上电极的设备都属于这种检测原理



  4.。 通常使用一个压力传感器来检测脉博搏动的微弱压力信号来检测脉率,有极少手环使用,主要在血压检测中计算血压和脉率。


详解可穿戴设备心率测量原理:


当前,绝大多数智能手环心率监测方法都采用了光电法,它们的明显特征是传感器部位都配备了绿色LED灯。


其测量心率的方法简单来说,就是基于物质对光的吸收原理,通过智能穿戴设备的绿色LED灯搭配感光光电二极管照射血管一段时间,由于血液是红色的,它可以反射红光吸而收绿光,在心脏跳动时,血液流量增多,绿光的吸收量会随之变大;处于心脏跳动的间隙时血流会减少,吸收的绿光也会随之降低。因此,根据血液的吸光度可测量心率。


具体而言,当一定波长的光束照射到皮肤表面时,光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器,在此过程中由于受到皮肤肌肉和血液吸收的衰减作用,检测器监测到光的强度将减弱。其中人体的皮肤、骨骼、肉、脂肪等对光的反射是固定值,而毛细血管和动静脉则在心脏的作用下随着脉搏容积不停变大变小。当心脏收缩时,外周血容量最多、光吸收量也最大,检测到的光强度最小;而在心脏舒张时,正好相反,检测到的光强度最大,使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化。用绿光的原因——不是因为血液是红的,所以用绿光,真正原因是绿光对外界温度变化造成的信号漂移是最小的。


这种测量原理的光电传感器有很多种,根据光信号接收位置的不同,光电法又可分为透射和反射两种模式


1透射式光电法

透射式光电法指的是可穿戴设备上的发生器(emitter)和光敏接收器(detector)位于所测部位的两侧(通常由一个夹子固定),入射光穿过皮肤进入深层组织,除了被皮肤、肌肉、血液、骨骼等吸收外,剩下部分的光线透射被光敏接收器感知。根据其原理,这种方法适用的测量部位是人体两面距离比较短的组织,如耳垂、手指、脚趾等,而具有代表性的智能穿戴产品就是那些耳夹式心率监测仪、指甲式血氧仪等。

这一监测方法的产品在外形上通常采取密封暗盒的结构,能很好的减少外源性的光干扰,从而提高测量精度和稳定性。由于其信噪比高、信号稳定,除了测量心率之外还可以通过波形分析心搏功能、血液流动等诸多心血管生理信息。缺点是,不适合应用在智能手环、智能手表上,而应用在耳垂、脚趾等部位的产品又会有穿戴不舒适的感觉。


2反射式光电法

与透射式光电法刚好相反,反射式光电法中,可穿戴设备上的发生器(emitter)和光敏接收器(detector)位于所测部位的同一侧,主要测量反射回来的光。这种方法测量心率的优点是非常简便,对测量部位的要求也很低,只要组织比较平滑且皮下脂肪少的的地方几乎都可以测量,比如额头、手腕。因此,大部分智能手环、智能手表等穿戴设备都采用了这种方法测量心率。而且,以智能手环或智能手表的产品形式出现也完美地解决了透射式光电法中心率监测与佩戴舒适的双重要求。

不过,反射式光电法虽然在稳定状态下表现良好,但是当设备戴在手腕末端,会随着使用者走路或无规则运动而像钟摆一般上下荡,离心力将使得血液量出现大变化;当血管收缩压与离心力在血液中交互作用,就更难分辨血管中的血量。因此可能降低心率数据的准确度。此外,可穿戴设备佩戴的松紧和人体皮肤血流量的大小也会影响到监测准确度。


至于准确性,我们平时的运动,姿势,甚至皮肤颜色,都会对光电法的心率测量结果产生影响,所以大多数手环和手表测出的心率都会有少量的误差,但基本能正确地反映出心率变化趋势,对于普通人的运动心率监测来说已经够用。相信随着移动心率测量技术的发展,产业链技术的不断完善,算法技术经验的修正、积累,可穿戴类设备的监测数据将会不断地接近于人体真实的生理状态。



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