各種智能設備相繼推出了心率監測功能,它的準確度如何?用到了哪些技術?


恰好最近在研究類似心率手環分析,打攪了。

第一種:PPG 光電容積脈搏波描記法原理(Photo Plethysmo Graphy)


簡單來說,反射而已,就是利用血液中透光率的脈動變化,折算成電信號,對應就是心率。

代表產品:Fitbit charge HR & Surge

當一定波長的光束照射到指端皮膚表面時,光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收器,在此過程中由於受到指,端皮膚肌肉和血液的吸收衰減作用,檢測器檢測到的光強度將減弱。其中皮膚、肌肉組織等對光的吸收在整個血液循環中是保持恆定不變的,而皮膚內的血液,容積在心臟作用下呈搏動性變化。當心臟收縮時外周血容量最多光吸收量也最大,檢測到的光強度最小。而在心臟舒張時,正好相反,檢測到的光強度最大,使光接收器接收到的光強度隨之呈脈動性變化。

為什麼經常見到的都是綠光LED?

因為在血液這種紅色液體面前,綠光的吸收率是最大的,對於數據判斷是比較準確的。

當用戶的心臟跳動時,會有更多的血液流過用戶的手腕,綠光的吸收量也會越大。在心臟跳動間隙,血液流量減少,導致綠光的吸收也會減少。


舉個例子,假設手環的發光數值為100,皮膚肌肉組織吸收恆定的10,血液總吸收為15,那反射後為100-10*2-15=65,然後動脈血過來,紅細胞含氧增多,血液總吸收變成了2被,那反射後為50,


之後會一直處於65-50-65-50-65-50-65-50-65-50……,通過計算每秒多少次脈衝變化,就得出你的心率。


不知道PPG這種方式有沒有看明白呢?


它的原理就決定了它的缺點,如果手環和皮膚直接有很多汗液呢?那數值就會不準確。

如果你的數值是這樣變化,65-50-65-50-65-50-66-51-62-50-65等,這也會讓機器蒙逼了。


總結來說:

這種方法,測量靜息脈搏和正常有規則運動(跑步等)還是比較準的,但對於無規則的運動,如足球羽毛球等無規則運動,舉例所說的假設數值會亂蹦,會稍微準確度下降。但也是相差幾個數值來說,對於非專業人士,我感覺應該足夠了吧。

第二種:心電信號測量,類似ECG(心電圖)

這個說的簡單點,就是你去醫院做過的心電圖,其實有點類似。不同的是,醫院需要在心口、腳上、手腕上都要加上電極,需要測量更多的數據,而腕式手錶就不需要那麼多數據,僅僅心率就夠了。


簡單來說,

心臟周圍的組織和體液都能導電,因此可將人體看成為一個具有長、寬、厚三度空間的容積導體。心臟好比電源,無數心肌細胞動作電位變化的總和可以傳導並反映到體表。在體表很多點之間存在著電位差,也有很多點彼此之間無電位差是等電的。通過收集到的電極變化,經過演算法處理,可以還原出很多數值,其中可以還原出心率數值。

(圖片看看就算了,侵權聯繫我刪除)


每次心跳,人的體表都會有微小的電極變化,而捕捉到這些電極變化,再經過演算法就可以還原出心率跳動的頻率。據我所知,手環內,好像jawbong UP 3採用的是心電測量技術,其它大部分都是光電技術。截圖為例

至於心率帶,一般也都採用心電測量,檢測體表電極變化,還原出心率數值。

再多說幾句,心率帶有硬性和軟性兩種材料,區別很簡單,看是不是有柔性薄膜電極。通常情況下,有柔性薄膜電極的數值會準確一點,而且沾點水會更緊密些。(想想我去測量一些對比心率數值時,會偶爾用嘴舔下然後粘上去,畫面不敢想像)


為什麼要用柔性薄膜點擊?

柔性薄膜電極可以緊密地貼住胸部輪廓,光滑的電極表面沾水後會產生很強的吸附性,牢牢地粘附在皮膚表面,大大降低了運動中胸帶位移摩擦對心率信號的干擾。目前主流的心率錶廠家比如 POLAR 博能,, SUUNTO 松拓, GARMIN 佳明,MIO邁歐等等都有相關產品,我就不做廣告了。


心電測量有什麼缺點?

我擦,必須有啊。想像你做心電圖的時候,一次都要百十塊錢,憑什麼啊?因為數據處理複雜,它測量的電極變化中,不僅僅只有心率數據而已,還有更多的信息,心率只是其中很小的數據,各個組織器官正常和病變情況下的數據也都是不同的。微小的變化,是好事也是壞事,一方面精準,一方面更難把控。


隨著智能化浪潮的來襲,智能穿戴設備迎來了飛速發展期,智能手環、智能手錶、智能戒指等可穿戴品類層出不窮的同時,產品自身功能也在不斷完善,比如越來越多的產品都標配了心率監測功能。

  如今,以智能手環和智能手錶為代表的智能穿戴產品配備的心率監測功能正被越來越多人接受,甚至有的人早已把它當作了選擇產品的必備功能之一。那麼,智能穿戴設備是如何監測心率的呢?今天,就來聊聊心率監測那些事兒。

  為什麼要測量心率?

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

  具體來說,影響心率變化的因素主要是三大調節系統,即自身調節、體液調節、神經調節。心率的變化能直接或間接地反映人體多方面的健康狀態,這就是測量心率的意義。放在智能穿戴領域,測量心率的意義則主要表現在三個方面。

  首先是運動方面,心率可以體現用戶運動時身體的真實信息,如果心率太高運動太劇烈,用戶的身體水分蒸發太快,那麼這種運動對身體無益,如果只是輕度運動心率不夠高,用戶也就不可能燃燒足夠卡路里。

  其次是疾病方面,通過監測靜息心率是否在正常範圍、日常活動中監測心臟停搏、心率異常增高等可起到及時預防疾病的作用,甚至通過心電監測心率還能檢測到心律是否異常。此外,通過指尖光電容積脈搏波描記法還可以監測脈搏波變化,以分析脈率、血氧濃度,糖尿病患者的微循環外周血管狀態等。

  最後是精神方面,通過監測到的心率變異性,可分析自主神經功能評估,如精神壓力、緊張與放鬆程度以及睡眠質量等。

  心率監測如何實現?

  作為21世紀的新興產物—智能穿戴產品,因其特定的使用場景和佩戴要求,應用在該領域的心率監測技術目前主要有光電容積脈搏波描記法,簡稱光電法、心電信號法、壓力振蕩法、圖像信號分析法等幾類。

光電法

  簡單來說,這種測量心率的方法就是基於物質對光的吸收原理,通過智能穿戴設備的綠色LED燈搭配感光光電二極體照射血管一段時間,由於血液是紅色的,它可以反射紅光吸而收綠光,在心臟跳動時,血液流量增多,綠光的吸收量會隨之變大;處於心臟跳動的間隙時血流會減少,吸收的綠光也會隨之降低。因此,根據血液的吸光度可測量心率。

  具體而言,當一定波長的光束照射到皮膚表面時,光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收器,在此過程中由於受到皮膚肌肉和血液吸收的衰減作用,檢測器監測到光的強度將減弱。其中人體的皮膚、骨骼、肉、脂肪等對光的反射是固定值,而毛細血管和動靜脈則在心臟的作用下隨著脈搏容積不停變大變小。當心臟收縮時,外周血容量最多、光吸收量也最大,檢測到的光強度最小;而在心臟舒張時,正好相反,檢測到的光強度最大,使光接收器接收到的光強度隨之呈脈動性變化。

  大部分智能手錶都採用了光電法監測心率,它們的明顯特徵是感測器部位配備了綠色LED燈。

  這種測量原理的光電感測器有很多種,根據光信號接收位置的不同,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備上的發生器(emitter)和光敏接收器(detector)位於所測部位的兩側(通常由一個夾子固定),入射光穿過皮膚進入深層組織,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。根據其原理,這種方法適用的測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品就是那些耳夾式心率監測儀、指甲式血氧儀等。

  採用透射式光電法的智能穿戴產品通常以一個夾子固定。

  這一監測方法的產品在外形上通常採取密封暗盒的結構,能很好的減少外源性的光干擾,從而提高測量精度和穩定性。由於其信噪比高、信號穩定,除了測量心率之外還可以通過波形分析心搏功能、血液流動等諸多心血管生理信息。缺點是,不適合應用在智能手環、智能手錶上,而應用在耳垂、腳趾等部位的產品又會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,可穿戴設備上的發生器(emitter)和光敏接收器(detector)位於所測部位的同一側,主要測量反射回來的光。這種方法測量心率的優點是非常簡便,對測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几乎都可以測量,比如額頭、手腕。因此,大部分智能手環、智能手錶等穿戴設備都採用了這種方法測量心率。而且,以智能手環或智能手錶的產品形式出現也完美地解決了透射式光電法中心率監測與佩戴舒適的雙重要求。

  不過,反射式光電法雖然在穩定狀態下表現良好,但是當設備戴在手腕末端,會隨著使用者走路或無規則運動而像鐘擺一般上下盪,離心力將使得血液量出現大變化;當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據的準確度。此外,可穿戴設備佩戴的鬆緊和人體皮膚血流量的大小也會影響到監測準確度。

心電信號法

  心電信號法其實就是醫療級別常用的最準確的測量心率的方法。心臟在每個心動周期中,由起搏點、心房、心室相繼興奮,伴隨著無數心肌細胞動作電位變化,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、以及心臟功能恢復情況、患者的軀體和心理壓力情況等。

  對於智能穿戴設備來說,配備的感測器可以通過測量心肌收縮的電信號來判斷使用者的心率情況,原理和心電圖類似,這種方法的準確度非常高,但缺點是電路比較複雜,佔PCB空間比較大,易受電磁干擾,同時感測器必須緊貼皮膚,放置位置相對固定,所以採用這種測量方式的智能穿戴產品並不多見。

  心電圖導聯體系。

  壓力振蕩法和圖像信號分析法

  壓力振蕩法主要應用在電子血壓計上,血壓計袖帶給手臂加壓,通過薄膜壓力感測器探測動脈血管的搏動振幅進行AD轉換,從而測量血壓與脈率(根據一定時間內有多少個脈搏波計算出心率)。圖像信號分析法主要是利用臉部圖像估測心率。因為,心臟跳動時人臉上的顏色會產生細微的變化,而且胸口和肩膀也有細微的動作,對採集到的圖像進行可以估測心率和呼吸頻率。美國麻省理工學院推出的Vital-Radio則是由路由器發出Wi-Fi信號,當信號遇到周圍的人或者物體的時候就會馬上反彈,通過特殊的演算法可計算出每次信號的反射速度,以此來判斷有無生命物體,如果是生命體的話,這款產品就會記錄人體心率和呼吸頻率。

  這兩種方法對使用者要求較高,僅限於人體相對靜止的情況,方法不當結果也會差很多,甚至患有某些心血管疾病的病人測量結果不太準確。因此,智能穿戴設備領域採用這兩種方法測量心率的產品非常少。

  智能穿戴產品該怎麼選?

  看完上面介紹的這些心率監測方法,那麼消費者到底該選哪一種智能穿戴設備好呢?

  對於智能穿戴設備廠商來說,這取決於產品的市場定位。如果定位為一款時尚手環,那麼其監測心率的功能很多時候只是一種點綴,用戶使用的大多數功能可能是看時間、簡訊推送、記步等,這時候僅僅需要能提供靜態心率功能就足夠了。如果是運動手錶,光電法以其便捷性和穿戴舒適性取勝;主要應用於運動方向,那麼通過光電法監測的心率準確率基本上可以滿足需求。此外,對於普通的運動監測需求,運動手錶需要做到動態心率功能,及能實時的長時監測心率,並且需要在運動過程中能較好地排除由運動造成的心率信號干擾。因此,採用加速度計等補償演算法是更好的選擇。

  國外一項將Apple Watch與專業心率監測器Mio Alpha對比測試的研究表明,Apple Watch心率監測的準確度可媲美Mio Alpha。

  對於普通消費者來說,目前世面上絕大部分智能穿戴產品的心率監測功能都較為準確,作為普通人運動和健身監測的工具綽綽有餘。因此,只需要按照自己心裡預估價位、個人喜好等特點挑選即可。不過,對於相對專業的運動員來說,建議佩戴測心電信號的心率胸帶,因為這類產品的準確度更高,可以通過監測運動員的心率變異性以提供更多的健康指標。


目前市面上的智能手環,在監測心率方面的技術,主要分成了兩種類型。最為主流的是被稱為光感心率監測,還有一種被稱為乾性電極心電監測。要區分這兩種技術倒也簡單,直接看手環背面即可。

光感心率監測是名符其實的燈廠出品,為什麼這麼說呢?仔細看運用了光感心率監測技術的產品,會發現當心率監測開始工作時,手環的背面會照射出幾道亮瞎眼的LED光束。比如像下面這種:

是不是看上去挺酷炫的?但是燈廠品質也僅限於那酷炫的外觀了。國外有一個記者姐姐因為燈廠貨告訴她心跳過快,她一下給嚇的直接進了醫院,檢查後卻發現,她的心臟非常正常。於是這位記者姐姐好奇了,到底發生了什麼?

她拿著數條燈廠貨去找了一位權威的心臟病學家,希望能知道智能手環中,用光學監測的準確度究竟有多准。 結果……

10%

來看我口型【誤!差!率!】


意味著什麼?想像一下表走慢了一個小時有多糟糕!燈廠型技術就是這麼靠譜兒,有句話怎麼說來著,你看到的不一定是真實的。

這個誤差率是怎麼來的呢?和光學技術的原理有關。放一張原理圖我們來慢慢聊:




正經點說:「通過LED燈照亮手腕上的毛細血管,反射血液光線,從而監測血液流動速度,從而得到每分鐘心跳讀數。」

還記得當年蘋果手錶剛出來的時候那條新聞嗎?黑人比白人使用蘋果手錶更為耗電,官方的說法是「理論上會干擾」。其實就是因為黑皮膚的原因,LED燈很難照亮血管。


再說一件理論上的事,如果你正好在出汗,如果你正好有個紋身,如果你正好毛長得比較多,那麼都會讓誤差率直線上升。

這還不是最糟糕的,光學心率監測還有一個天生的硬傷。由於光學心率監測主要是監測手腕部分的血流速度,而根據我的了解,當血液流到手腕部分時,其血液流速已經慢於了心臟輸出時的血液流速。準確的心率?呵呵噠。


有10%誤差率,奇怪嗎?

聊完了光學監測,讓我們來談下乾性電極這個技術。

乾性電極是什麼?看見過醫院的心電圖儀嗎?就是下面這個玩意:

很大。

大到除了醫院,你很難見到有人家裡會裝一個這樣的機器,去沒事給自己帖電極玩只為了了解一下自己的心率圖——即使這種技術很準確。不能攜帶有什麼用?

所以乾性電極這個技術就是打的將心電圖儀小型化的主意,具體的原理有點類似心電圖的原理:

心臟是由心肌所組成,當動作電位(Action potential)產生時,會導致心肌的收縮,而達到將血液幫浦到全身的功能。每次心跳心肌細胞去極化的時候會在皮膚表面引起很小的電學改變,這個小變化會被乾性電極所捕捉,放大即可描繪心電圖。

對比於使用血流的方法監測心率,使用乾性電極至少不用要求你長的足夠白,每個人身體裡面都會有電學改變,而且有一個好處是,心電圖有多准,乾性電極的準確度就能有多准。


謝謝邀請,個人使用的就是榮耀手環3 ,已經快一個月了。

在心率監測功能上準確度還是很高的,在這我就介紹下榮耀手環3的使用感受:本人9.3號在京東上購買的,當日中午就到了,收到後,插上電打開,提示要升級版本。

升級完成後,摸索了一下各種功能,順手恢復出廠化了一下,只是習慣。

手環本體很輕,運動記步也很准,帶著手環的那隻手拿著手機走,同樣記錄精確。

佩戴手環,手環留1個手指的空間,不太緊也不太松,有點餘地。

睡眠功能,開著科學睡眠,看記錄和自己感受,是準確的,在睡眠質量評價方面是準確的。

心率測試是亮起綠光,在腕帶背面貼皮膚的那一面,需要幾秒鐘後才顯示,最後顯示的那一下是比較準確的。大概就是睡覺的時候跳的比較慢,60。平時活動的時候,75-110變化著。做運動的時候峰值到過150+,看著數字參照並且調節自己的運動幅度,挺好用。自身的感覺以及讀秒數,是對的上腕帶顯示的心跳的。

值得一提的是,開啟科學睡眠後,藍牙傳輸數據會花費比較久的時間,也許是數據量比較大,有時候會超過2分鐘,手機鎖屏是2分鐘,有幾次鎖屏了,還沒藍牙同步好數據。耐心等一會或做點別的回頭來看,就好了。

電量顯示是整數位10%為一格跳的,無所謂吧。耗電問題,之前用過那個沒有顯示屏UP環,就記步和睡眠功能,21天的樣子。

手環目前是70%,預測大概中十幾天(17天)的樣子,能打開的都打開了。也許不打開可以更久吧,不是什麼問題。

防水,汗水沾多了會用自來水沖一下手環。洗澡的時候還是脫下來的,畢竟帶著,手腕就不好洗了。和洗熱水澡時離線械表一樣回事,即使防水的機械錶。

腕帶部分遇到些問題,和之前的手環材質很像,觸感好,不過腕帶上那個環(就是像 0 一樣形狀的)不時的刮到衣服感覺。有一次由於刮到身上,那2顆牙的扣鬆脫了,當時沒感覺到鬆脫,而那個環也沒卡住腕帶,由於很輕很難發現,最後是掉在袖子里,運氣好,不然還真不好找,尤其那時還是晚上。

來電顯示是默認就開著的,好像不能關也不能調節,這個估計通過更新版本能解決。

鬧鐘的話。。自然醒自己用ios的,安卓上面用這個要開許可權之類的,經常2款都要接觸,比下來還是ios省力點呢。

作為記步手環來說,這個做的不錯的。

個人對睡眠監測功能還是比較滿意的,能檢測出自己的睡眠時間,以及何時睡著的等,話不多說 直接上圖。


感謝悟空的邀答。我們平時的運動、姿勢,甚至皮膚顏色,都會對光電法的心率測量結果產生影響,所以大多數手環和手錶測試出的心率,測量脈博正常有規則運動(跑步等),基本能反映出心率變化趨勢,準確度還是比較準的,但對於無規則的運動,如足球羽毛球等無規則運動,會稍微準確度下降,對於非專業人士,我感覺應該足夠用的。



因其特定的使用場景和佩戴要求,應用在該領域的心率監測技術目前主要有光電容積脈博波描記法,簡稱光電法、心電信號法、壓力振蕩法、圖像信號分析法等幾類。光電法就是基於物質對光的吸收原理,通過智能穿戴設備的綠色LED燈搭配感光電二極體照射血管一段時間,由於是紅色的,它可以反射紅光吸而收綠光,在心臟跳動時,血液流量增多,綠光的吸收量會隨之變大處於心臟跳動的間隙時血流會減少,吸收的綠光也隨之降低。因此,根據血液的吸光度可測量心率;



心電信號法其實就是醫療級別的常用的最準確的測量心率的方法;壓力振蕩法和圖像信號分析法主要應用在電子血壓計上,血壓計袖帶給手臂加壓,通過薄膜壓力感測器測動脈血管的搏動振幅進行AD轉換,從而測量血壓與脈率(根據一定時間內有多少個脈搏波計算出心率),圖像信號分析法主要是利用臉部圖像估測心率。


準確度還可以,利用鏡頭和手機的重力感應操控


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