綠or紅？心率監測使用哪種光比較好？

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註：本文所講的是optical heart rate monitor (OHRM)方式監測心率，與同樣基於PPG的血氧測量方式（紅光+紅外）有區別，雖然測量血氧也可以同時測量心率，但不適合運動監測。關於血氧的測量將在後續文章中介紹。

上一篇講了心率監測的意義及原理，這一篇從更底層的角度來說說心率監測使用的光線。

有沒有人跟你說過買監測心率的設備，要選發綠色光的，比紅色光（或紅外光）好。真的是這樣？

首先我們要先來儲備一點基礎知識。

我們的皮膚顏色主要是黑色素造成的，根據黑色素含量不同顯示出不同的膚色。黑色素對於綠色光線的吸收很好，對於紅光則基本上是透明的。

除此之外，血液中的血紅蛋白對於綠色光的吸收率也很高。
所以總體來說，人體對於綠色的吸收率很高，這也是為什麼沒有人的皮膚是綠色的（除非綠巨人），因為綠色光線都被人體吸收了，反射不到我們的眼睛裡。
另一方面，人體對於紅色或紅外的吸收率則要低得多。

綠色光有什麼好處？

信號幅度大

首先來看一組對比圖。光線強度用數值指數來大致示意。

同樣的光強的綠光，射到大杯和小杯紅色的水裡，由於紅色的水對於綠色吸收率高，水量不一樣反射回去的光強差別較大。
而同樣光強的紅光，射到大杯和小杯紅色的水裡，由於紅色的水對於紅色吸收率低，水量不一樣反射回去的光強差別較小。

現在我們想像血管就是上面的水，隨著心臟搏動，水量變多變少。

如果入射光是綠光，心臟搏動導致的反射光變化較大；

如果入射光是紅光，心臟搏動導致的反射光變化較小。

換句話說，用綠光得到的信號會比用紅光得到的信號變化幅度要大。

環境光影響小

檢測光強的感測器除了接收到我們所發出的光線反射光，也會接收到環境光的反射光。

如果我們用綠光，配合檢測綠光的感測器，環境光中的綠色成分基本被人體吸收的差不多了，反射到感測器上的基本可以忽略。

如果換成紅光（紅外光），由於人體對紅光（紅外光）吸收較少，環境光的紅色（紅外）成分還是會有部分反射到感測器，從而對於有效信號形成干擾。

所以用綠光比用紅光抗環境光影響的能力要好。

結合以上兩點，綠光信號幅度大，雜訊小，也就是說信噪比高。
信噪比高就容易檢測，並且對於一些干擾（手環/手錶不貼合、人體運動中）的影響就比較小。

綠色光有什麼壞處？

膚色紋身影響大

有沒有看到過新聞說黑人兄弟吐槽小米手環測不了心率？

其實也難怪，不光小米手環，相信世面上很多監測心率的遇上非洲兄弟都會罷工。

之前我們講過，黑色素對於綠光吸收率很高，如果膚色很黑，發出去的綠光都吸收的差不多了，反射光很弱，就很難測量到有效的PPG了。

同樣，還有些人手腕有紋身，也會造成心率測量不能正常工作。

穿透深度淺

由於人體對於綠光的吸收率高，也就意味著使用綠光，穿透能力會比紅光/紅外光弱。

用綠光所測量到的PPG只能反映皮下較淺的組織的變化特徵。

穿透深度淺會導致綠光PPG不能充分反映體征的變化，從而導致測量誤差。

Fitbit（採用綠光測心率）就曾經被控訴，監測到的心率與胸帶所測到的有24bpm方差。

為什麼大家都用綠光？

看了上面的內容，其實這個問題答案已經很明顯了，很簡單，就三個字：

容易做！

綠光測到的PPG信噪比高，對於檢測及信號調理的要求比較低，即便有一些干擾（例如運動）也比較容易剔除，而且已經被廣泛使用，技術比較成熟，開發起來比較快。

而紅光（紅外光）雖然比綠光能更準確的反應人體體征，但由於信噪比低，檢測難度大，又容易受干擾，相對綠光來說技術不夠成熟，沒有被各大手環手錶廠商採用。

紅光（紅外光）就這麼被拋棄了？

不！

上面講到，紅光其實比綠光測的要准，只是技術難度大。

事實上，已經有人在吃螃蟹了！

先來看一張圖

很眼熟？眼熟就對了！

apple watch。

仔細看下圖片左邊那幾個小字「Green and infrared LEDs」。也就是說，apple watch是支持紅外測心率的！

根據蘋果官網介紹，平時我們開啟「體能訓練」APP，會啟用綠光測心率，如果信號弱還會自動加大發射功率及採樣率。當apple watch檢測到人處於靜息狀態，則會每10分鐘用紅外測量一次心率。

Apple watch根據綠光和紅外各自的特點，在動態場景用抗干擾強的綠光，在靜態場景用測量更準的紅外光。

也算是對於紅外光測心率比較合理的試水了。

ONE MORE BUG！

PPG法監測心裡還隱藏著一個致命BUG，我覺得有必要提一下。

當我們跑步時，佩戴手環或者手錶來監測心率，隨著跑步的節奏，手環或手錶與皮膚的貼合度也周期變化，檢測到的信號就有跟步伐一致的干擾存在。
那麼問題來了，跑步的步伐其實跟心率是差不多的，這個干擾混合在心率信號中，根本無法分辨啊！手環/手錶直接懵逼了啊！

要解決這個問題，其實也是又辦法的。

加速度計！

現在的手環手錶大多都內置了加速度計，跑步的節奏會反映在加速度計的信號上，如果將心率感測器的數據跟加速度計的數據結合起來，就可以有效的剔除腳步的干擾了，包括其他運動形式的導致的干擾。