羅倩倩

摘要：智能可穿戴設備是對日常穿戴進行智能化設計的總稱，具有對各種生命體征監(jiān)測的手環(huán)已成為市場的新寵，如小米手環(huán)。成本、體積、功耗以用戶感受的需求推動了行業(yè)的研發(fā)熱點。本文將主要討論心率檢測的方法及其衍生的應用。

關鍵詞：智能可穿戴；心率；容積描記波；心動圖；HR；ECG；PPG；BCG

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）36-0196-02

“穿戴式智能設備”是應用穿戴式技術對日常穿戴進行智能化設計、開發(fā)出可以穿戴的設備的總稱，如智能手表或智能眼鏡等，以及只專注于某一類應用功能，需要和其他設備如智能手機配合使用，如各類進行體征監(jiān)測的智能手環(huán)、智能首飾等。早期的手環(huán)如Jawbone、Fitbit都僅僅具有記步、睡眠的功能，隨著技術的進步以及用戶需求的變遷，可穿戴式智能設備的形態(tài)與應用熱點也在不斷變化，最近推出的小米手環(huán)2已經具有心率檢測功能，相信在不遠的將來手環(huán)或手表這樣的標準穿戴式設備將具備更多的檢測檢測功能。

本文將主要探討智能心電率檢測的問題。心率指的是每分鐘心跳的次數，相比于靜止心率我們更關注于動態(tài)心率。運動過程中的心率我們叫做運動心率。在運動過程中，心率數據可以反映我們的運動強度、運動性質、能量代謝、氧氣消耗、乳酸積累、機體疲勞程度等。因此，在運動中如果能及時了解自己的心率狀態(tài)，就能及時掌握自己的身體情況，并以此進行相應調整。這樣既可以大大減少因過度運動對身體的損傷，也可以在運動效率過低時提醒自己自己提高運動效率。

1各種心率檢測技術的介紹

1.1 生物電勢檢測法

如圖1左一所示，傳統(tǒng)的心率帶產品是基于心電ECG的檢測方法，典型產品如Polar心率帶。心電檢測需要測量兩個電極間的電勢差，因此胸前靠近心臟的位置最為理想，這里心電信號強而且運動時肢體運動造成的誤差較小。此外，由于人在運動時軀干的運動幅度相對于四肢要小的多，最新的心率帶往往帶有步態(tài)檢測功能，可以提醒用戶錯誤的跑步姿勢并作出建議。主要的問題是佩戴的舒適感較差，長時間的運動產生的汗液會使心率帶松動甚至汗液短路影響檢測，而且需要同時使用手機等智能設備搜集數據，使用不方便。但基于生物電勢法測量的心率帶產品是現有產品中實時性最強的、最精確的產品，仍然是不可或缺的應用，下面介紹的檢測法都需要用電勢法檢測產品作為校準參考。

1.2光電式心率檢測法

如圖1左二所示，光電式心率檢測法是新型的應用，典型產品為Apple Watch心率檢測。光電式心率檢測技術利用光反射的原理檢測心率，人體中的血液由心臟推動周期性地在血管中循環(huán)，具體體現為肺循環(huán)和體循環(huán)，肺循環(huán)通過肺部氧氣交互將空氣中的氧氣溶入血紅蛋白，然后通過體循環(huán)輸送至身體各個組織器官，氧氣在肢體和器官中與細胞進行交互后消耗。上述過程隨著心跳周而復始地進行著，體現在組織血液中含氧血紅蛋白數量的周期性變化。光電式心率檢測就是將一束光打到組織里并檢測返回光強，由于血液中的氧合血紅蛋白含量隨著脈動呈周期性變化，光的吸收率發(fā)生了變化導致檢測到光強也隨之變化，這等于心率的變化。

光電式心率檢測相對于生物電勢法只需要單點測試，如手腕，測試簡單而且不需要用戶配合，具有非常好的用戶體驗，但由于測量的光信號非常微弱，該測量技術容易收到肢體運動及自然光的干擾，實際使用時需要配合運動去除算法才行。

由于光電式心率檢測的原理是基于傳統(tǒng)的容積描記波（PPG）技術，從PPG信號中可以提取血氧飽和度（SPO2）、心率（HR）、心率變異性分析（HRV）以及最大攝氧量（VO2 Max）等信息。心率對信號的要求最低最容易實現，最大攝氧量其次，血氧飽和度測量較難。傳統(tǒng)的血氧飽和度的測量主要是在信號較好的指甲端或耳垂上，手腕上的應用受制于膚色、毛發(fā)等因素的影響測試精度難以保證。但作為一個基于PPG信號的衍生應用，血氧飽和度、最大攝氧量、心率變異性分析仍有很大的發(fā)展空間

1.3生物復阻抗式心率檢測法

如圖1右二所示，這是一臺 Inbody出品的身體成分分析儀，主要用于檢測身體水分、肌肉、脂肪等組織成分，用于健康指導。這是基于生物復阻抗檢測的技術，主要是利用身體不同成分（水分、肌肉、脂肪）在不同激勵頻率下體現的生物復阻抗特性來區(qū)分不同成分極其含量。目前的產品主要是體檢儀或者人體秤的產品樣式，采用雙手或者雙腳接觸檢測。但隨著技術進步、精度的提高，在檢測復阻抗的同時檢測心率和呼吸率將不是問題，甚至可以在手腕上直接檢測。其原理是血液在心臟的驅動下在血管中周而復之地流動，心臟的波動和血液的流動會使組織的阻抗也產生了周而復始的變化，這就是心率檢測的理論基礎。它也需要電極接觸，因此可以與電勢法測量心電復用電極測量，這樣一個傳感器可以輸出多個結果。但目前的精度仍需完善，而且容易受到運動干擾。

1.4機械震動心率檢測法

如圖1右一所示，這是Fukuda Denshi出品的心動圖檢測設備，檢測Ballistocardiograph（BCG心臟射血容量描記器）。檢測原理是利用精密加速度傳感器檢測心臟跳動的震動頻率，理想位置自然是靠近心臟。但如果將傳感器放于手腕上的話檢測難度將大大增加，因為人體運動會對傳感器造成極大的干擾，體現在運動、走路的震動頻率將會完全淹沒心率信號。

2技術對比

從下面表1可以看出，生物電勢和光電式心率檢測方案是相對成熟的方案，目前市場上已經有相應的穿戴式產品出現，而基于復阻抗和機械振動檢測的方法還處于概念階段，方案尚未成熟，但具有非常大的市場潛力。尤其是復阻抗式檢測方法，它與皮電活動檢測是一個范疇而且還可以與心電檢測復用電極，具有廣闊的市場潛力。

生物電勢法的功耗雖然低但是它需要兩電極參與，對產品工業(yè)設計的要求較高，而且需要用戶的測試電極相隔一定距離。心率帶產品是最成功的應用，由于放置位置靠近心臟，但是如果用戶在手腕上佩戴設備，采集心電必須靠雙手操作，如右手手指搭到左手手表上，使用不方便。光電式檢測法只要單點接觸皮膚組織就好，使用簡單，可以對用戶進行連續(xù)持續(xù)檢測，這一特性非常利于在手環(huán)、手表等單手設備上普及。由于它的精度提高依賴于發(fā)光二極管及接受光電管的靈敏度，整個設備的功耗及成本較高，另外設備依賴精密的光學結構，設備容易受環(huán)境光的干擾。當用戶運動時，整個信號會受到很大干擾，因此需要復雜的運動去除算法，這對處理器的要求較高，同樣引入了額外的功耗及系統(tǒng)演示，這與生物電勢法實時檢測不同，運動時的光電心率檢測技術往往具有較大的延時，這可用于趨勢分析但每個時刻的心率僅代表過去一段時間的平均值或者典型值。

3 結論

本文討論了幾種心率檢測技術，及其優(yōu)缺點。主要有四種方法：生物電勢法、光電式檢測法、復阻抗式檢測法以及機械振動檢測法，前兩種檢測方法已經是成熟方法，而后兩種方法仍有待完善。

而且，這些方法還能排列組合衍生出不少新的應用。例如，

1） 結合電勢法測量心電圖（ECG）可以與光電法測量容積描記波（PPG）結合用來實現連續(xù)無創(chuàng)血壓檢測。

2）電勢法測量和復阻抗測試可以共享電極測量，這可以最大限度地利用有限的穿戴式設備體積測量更多的參數。

上述多傳感器融合的方法將也為我們后續(xù)的研究方向。

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