心率統(tǒng)計(jì)的基本原理?

人類為什么對(duì)心率統(tǒng)計(jì)這種東西感興趣?并且可穿戴設(shè)備制造商也以此為賣點(diǎn)做宣傳，難道是看到自己每分鐘心跳次數(shù)就會(huì)高 潮?實(shí)際情況當(dāng)然并非如此，心率數(shù)據(jù)可以反映的事情很多，比如睡眠情況、運(yùn)動(dòng)時(shí)所處狀態(tài)，甚至內(nèi)心的情緒波動(dòng)。這是可穿戴設(shè)備尋求心率統(tǒng)計(jì)的原因。

常見的心率計(jì)有兩種原理：一種是諧振式一種是光電式。諧振式是感應(yīng)壓力的變化從而測(cè)量脈搏，光電式是利用了血液對(duì)近紅外光線吸收的特點(diǎn)。而手機(jī)攝像頭測(cè)量脈搏和光電式的原理很像。血液也會(huì)吸收可見光。當(dāng)心臟擠壓，血管中血液流量增加的時(shí)候，更多的可見光被吸收，攝像頭會(huì)拍攝出較暗的畫面;當(dāng)心臟放松，血管中血液流量減少時(shí)，可見光被吸收的較少，攝像頭里采集的圖像也會(huì)變得更鮮紅。交替的明暗變化通過App處理后就變成脈搏次數(shù)了。

Apple Watch如何做心率檢測(cè)?

2015年，AppleWatch的正式上市極大地刺激整個(gè)智能可穿戴設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模的增加，銷量達(dá)到1,390萬只，占智能腕帶設(shè)備市場(chǎng)份額58.3%，市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)達(dá)到1356億元人民幣?；贏ndroid Wear的智能手表銷量為400萬只，市場(chǎng)份額為17.4%。預(yù)計(jì)在2017年，市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)定上升，市場(chǎng)規(guī)模依然會(huì)超過300億元人民幣。

蘋果官方近日公布了其內(nèi)置心率傳感器的工作原理。蘋果的技術(shù)支持文檔顯示，Apple Watch的心率測(cè)量周期是每10分鐘測(cè)量一次，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在健康A(chǔ)pp中。這些檢測(cè)信息，再結(jié)合收集到的其他數(shù)據(jù)，計(jì)算佩戴者的卡路里消耗量。

在心率傳感器上，Apple Watch采用的是光體積描記器(PPG)，原理如下：

血液之所以呈現(xiàn)紅色，是因?yàn)樗瓷浼t光并吸收綠光。Apple Watch使用綠色LED燈，配合對(duì)光敏感的感光器，可以檢測(cè)任意時(shí)間點(diǎn)流經(jīng)手腕的血液流量。

心臟跳動(dòng)時(shí)，流經(jīng)手腕的血液會(huì)增加，吸收的綠光也會(huì)增加;心跳間隔期，流經(jīng)手腕的血液會(huì)減少，吸收的綠光也會(huì)隨之減少。Apple Watch內(nèi)置的兩顆綠色LED燈可以每秒閃動(dòng)數(shù)百次，從而計(jì)算出每分鐘的心跳次數(shù)，也就是心率。

上面講到的利用綠光LED的光體積描記器測(cè)量心率更像是一種備選方案，因?yàn)樵谑昼姕y(cè)量一次心率的周期里，Apple Watch 利用的是紅外線。但在“紅外線測(cè)量無法讀取足夠的數(shù)據(jù)時(shí)，Apple Watch會(huì)切換至綠色LED。”

此外，為了應(yīng)對(duì)對(duì)心率信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，避免信號(hào)過弱影響讀數(shù)，蘋果表示對(duì)心率傳感器進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)，比如提高LED亮度和采樣率。

除了上面這些技術(shù)層面的手段外，蘋果在文檔中也特別指明，不恰當(dāng)?shù)呐宕鞣绞揭矔?huì)影響心率的采樣和準(zhǔn)確性。

實(shí)際上，除了上面談到的佩戴方式對(duì)心率測(cè)量的影響外，很多外部的因素也需要考慮在內(nèi)。比如文檔中講到的皮膚血流量。很多人尤其是男性，都會(huì)注意到在夏天比較熱的時(shí)候，手臂上的血管會(huì)猙獰地鼓起，血量很足，而在冬天天氣寒冷的室外，手臂上的血管就不會(huì)凸起得那么突兀了，這時(shí)候流經(jīng)手臂的血液量也會(huì)少一些，甚至?xí)偷叫穆蕚鞲衅鳠o法讀取數(shù)值。

蘋果在文檔最后講到，在“節(jié)率運(yùn)動(dòng)”和“無規(guī)律運(yùn)動(dòng)”中，心率測(cè)量的準(zhǔn)確性可能會(huì)存在差異。其實(shí)可以簡單地理解為無氧運(yùn)動(dòng)如乒乓球、拳擊和有氧運(yùn)動(dòng)如跑步、騎車這兩類運(yùn)動(dòng)中，后者的心率測(cè)量會(huì)相對(duì)準(zhǔn)確一些。

監(jiān)測(cè)心率只是測(cè)量和計(jì)算運(yùn)動(dòng)量的一個(gè)手段，Apple Watch 還會(huì)結(jié)合加速度計(jì)、GPS 等其他傳感器來計(jì)算運(yùn)動(dòng)和鍛煉情況。

可穿戴心率檢測(cè)的幾大技術(shù)難點(diǎn)?

當(dāng)前可穿戴設(shè)備的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)就是數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性差，因此，高精度檢測(cè)算法在可穿戴設(shè)備整體解決方案中的地位亦顯得舉足輕重。硬件PCBA材料和尺寸、功耗、性能、成本的兼顧，使得傳感器等關(guān)鍵器件、高精度算法、數(shù)據(jù)平臺(tái)等成為可穿戴電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。尤其在智能腕表的硬件尺寸方面有較高的要求，一定要小而緊湊，另外很多個(gè)性化的設(shè)計(jì)方案中要求使用柔性材料可以方便其外觀的擴(kuò)展設(shè)計(jì)。

玉成的心率檢測(cè)方案使用ADI的加速度傳感器以及TI2541或NordicBLE51822的藍(lán)牙模塊，算法可擴(kuò)展性強(qiáng)。主要通過算法的優(yōu)化，監(jiān)測(cè)在各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，例如慢走、快走、慢跑、快跑、爬樓梯、打羽毛球等心跳頻率，實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下HRV(心率變異性)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。另外還有睡眠監(jiān)測(cè)的模式可以讓MCU處于休眠狀態(tài)，以達(dá)到省電的目的。其他的功能如血氧、血壓的監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)當(dāng)前都在開發(fā)中。

另一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是精準(zhǔn)，采用玉成研發(fā)的運(yùn)動(dòng)心率解決方案在靜態(tài)與醫(yī)用心率測(cè)試儀對(duì)比，精確達(dá)到醫(yī)療設(shè)備級(jí)別，本產(chǎn)品的該項(xiàng)性能，將在今后一個(gè)較長時(shí)期內(nèi)保持技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

除了靜態(tài)檢測(cè)，動(dòng)態(tài)心率的監(jiān)測(cè)適配各種運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的切換做法，也是關(guān)鍵技術(shù)之一。在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，玉成的運(yùn)動(dòng)心率解決方案能適應(yīng)各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的心率測(cè)試。目前玉成已經(jīng)取得了兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的專利授權(quán)。

可穿戴心率方案哪家強(qiáng)?

目前市面上擁有自己的可穿戴心率方案技術(shù)的廠商主要有小米、37度、原相、Fitbit、apple、MIO邁歐、玉成等。玉成作為第三方設(shè)計(jì)公司，掌握了包括傳感器、模擬前端、算法、硬件設(shè)計(jì)、手表結(jié)構(gòu)在內(nèi)的全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)。

與MIO邁歐方案的主要參數(shù)對(duì)比

與MI0的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

與PORLAR心率帶的對(duì)比

與POLAR心率帶的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比