目(mu)前(qian)，市(shi)麵(mian)上(shang)的(de)健(jian)身(shen)追(zhui)蹤(zong)器(qi)已(yi)經(jing)進(jin)展(zhan)到(dao)了(le)第(di)二(er)代(dai)甚(shen)至(zhi)第(di)三(san)代(dai)，昔(xi)日(ri)最(zui)原(yuan)始(shi)的(de)計(ji)步(bu)器(qi)已(yi)經(jing)被(bei)升(sheng)級(ji)版(ban)設(she)備(bei)所(suo)替(ti)代(dai)
，更(geng)新(xin)的(de)設(she)備(bei)配(pei)備(bei)測(ce)高(gao)計(ji)和(he)加(jia)速(su)度(du)計(ji)等(deng)，幾(ji)乎(hu)可(ke)以(yi)追(zhui)蹤(zong)一(yi)切(qie)行(xing)為(wei)，從(cong)用(yong)戶(hu)爬(pa)了(le)多(duo)少(shao)個(ge)台(tai)階(jie)到(dao)用(yong)戶(hu)昨(zuo)晚(wan)的(de)睡(shui)眠(mian)質(zhi)量(liang)如(ru)何(he)等(deng)，基(ji)本(ben)全(quan)麵(mian)覆(fu)蓋(gai)。

 

 

光電容積脈搏波描記法
，這個名字讀起來實在是高端，其實說簡單點就是利用光測量脈搏的一種技術：血xue液ye是shi紅hong色se的de，反fan射she紅hong光guang
，吸xi收shou綠lv光guang。穿chuan戴dai設she備bei通tong過guo光guang學xue心xin率lv傳chuan感gan器qi檢jian測ce特te定ding時shi間jian手shou腕wan處chu流liu通tong的de血xue液ye量liang。心xin髒zang跳tiao動dong的de一yi瞬shun，手shou腕wan處chu流liu通tong的de血xue液ye量liang增zeng加jia
，吸xi收shou更geng多duo綠lv光guang
；而心跳間隙，吸收的綠光就少一些。LED光每秒閃動數百次
，計算出每分鍾的心跳次數，也就是心率。

 

 

當LED光射向皮膚
，透過皮膚組織反射回的光被光敏傳感器接受並轉換成電信號再經過AD轉換成數字信號
，簡化過程：光--> 電--> 數字信號

 

 

大多數設備都是把綠光作為傳感器光源
，之所以選擇綠光主要是考慮到一下幾個特點：

 

 

總體來說，綠光——紅(hong)光(guang)能(neng)作(zuo)為(wei)測(ce)量(liang)光(guang)源(yuan)。早(zao)起(qi)多(duo)數(shu)采(cai)用(yong)紅(hong)光(guang)為(wei)光(guang)源(yuan)，隨(sui)著(zhe)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)研(yan)究(jiu)和(he)對(dui)比(bi)
，綠(lv)光(guang)作(zuo)為(wei)光(guang)源(yuan)得(de)到(dao)的(de)信(xin)號(hao)更(geng)好(hao)

，信(xin)噪(zao)比(bi)也(ye)比(bi)其(qi)他(ta)光(guang)源(yuan)好(hao)些(xie)，所(suo)以(yi)現(xian)在(zai)大(da)部(bu)分(fen)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)采(cai)用(yong)綠(lv)光(guang)為(wei)光(guang)源(yuan)。但(dan)是(shi)考(kao)慮(lv)到(dao)皮(pi)膚(fu)情(qing)況(kuang)的(de)不(bu)用(yong)（膚色、汗水），高端產品會根據情況自動使用換綠光、紅光和IR多種光源。

 

雖然知道了上麵的幾個特點，但是還不足以弄清楚為什麼通過光照就能測出心率
、血氧等參數呢？

 

 

當光照透過皮膚組織然後再反射到光敏傳感器時光照有一定的衰減的。像肌肉
、骨骼、靜脈和其他連接組織等等對光的吸收是基本不變的（前提是測量部位沒有大幅度的運動），但dan是shi血xue液ye不bu同tong，由you於yu動dong脈mai裏li有you血xue液ye的de流liu動dong
，那na麼me對dui光guang的de吸xi收shou自zi然ran也ye有you所suo變bian化hua。當dang我wo們men把ba光guang轉zhuan換huan成cheng電dian信xin號hao時shi，正zheng是shi由you於yu動dong脈mai對dui光guang的de吸xi收shou有you變bian化hua而er其qi他ta組zu織zhi對dui光guang的de吸xi收shou基ji本ben不bu變bian，得de到dao的de信xin號hao就jiu可ke以yi分fen為wei直zhi流liuDC信號和交流AC信號。提取其中的AC信號

，就能反應出血液流動的特點。我們把這種技術叫做光電容積脈搏波描記法PPG。

 

 

穿戴設備的大熱，使得心率測量隨之大為盛行。而當前的心率測量無非於兩方麵的作用：

 

一是反應我們的身體健康狀況，及時發現可能與心髒有關的問題。

 

二是對於健身愛好者的運動指導，通過了解心率狀況以便對鍛煉強度進行控製
，避免身體“吃不消”。

 

也ye許xu，對dui一yi個ge心xin率lv正zheng常chang的de人ren來lai說shuo
，追zhui蹤zong心xin率lv的de意yi義yi不bu大da。但dan相xiang信xin隨sui著zhe移yi動dong心xin率lv測ce量liang技ji術shu的de發fa展zhan，便bian攜xie式shi心xin率lv設she備bei終zhong將jiang在zai我wo們men的de生sheng活huo中zhong發fa揮hui舉ju足zu輕qing重zhong的de作zuo用yong。

 

光學式心率傳感器到底有多準
？

 

外媒曾測試了幾款主流的心率監測手表及腕帶，並將數據與Polar V800及Suunto Ambit3兩款心率帶所獲得數據進行對比。測試者同時佩戴智能手表/腕帶和心率帶
，進行數次多公裏的慢跑運動，然後將數據進行最終對比。

 

Polar心率帶與Garmin Forerunner225運動手表心率數據對比

 

Polar心率帶（橙色）與阿迪達斯miCoach運動手表（藍色）心率數據對比

 

Suunto心率帶（橙色）與Basis Peak（藍色）心率數據對比

 

首先
，是Polar心率帶與Garmin Forerunner 225運動手表的對比，可以看到曲線圖前端擁有較大差異，而在跑步中途、心率逐漸平穩的狀態下，錯誤率約為10%。而阿迪達斯miCoach運動手表的準確率約為86%，錯誤率為14%；Basis Peak則最不準確，平均錯誤率達到了25%。

 

不過，測試方也表示
，這並非一項科學實驗室級別的測試，基礎是建立在心率帶在不運動、或慢跑時更為準確。

 

顯然

，非官方和醫療級別的測試均說明，目前采用光學心率傳感器的智能手表
、腕帶

、手機的準確性並不是100%，畢竟人體是一個非常複雜的結構。不過
，此前也有媒體稱
，Aapple Watch在與心率帶的測試中獲得了99%的數據同步率，證明其光學心率傳感器擁有極高的準確性，這可能是該領域的一個進步。

 

 

 

shishishang，guangdianshixinlvceliangshebeizuidadejishuzhangaishiruhejiangshengwutezhengxinhaocongganraozhongfenlichulai

，tebieshiyundongganrao。buxingdeshi
，dangbaguangxiansheruyigerendepifushi，zhiyouyixiaobufenguangliangzifanhuigeichuanganqi，bingqieshoujidesuoyouguangliangzi，zhiyoubaifenzhiyihuoqianfenzhiyishiyouxinzangshousuodexueliuliangtiaojiede，shengxiadedoufensanzaifeibodongxingshengliwuzhishang，lirupifu、肌肉、jijiandengdeng。yinci，dangzhexiefeibodongxingshengliwuzhisichuyidong，biruzaiduanlianhuozherichangshenghuohuodongzhong，youcidaozhideguangxiansuizheshijianbianhuayundongzaodongfensanshihennancongguangxiansuizhezhenshixueliuliangdefensanzhongqufenchulaide。zhouweiguangxianganraohaijiajuzhegewentideyanzhongxing，birusuizheshijiandebianhua
，taiyangguangdeganraokeyiwanquanshentoudaoguangdiantanceqizhong，shenzhichuangzaochujinsishenglixingzhidemaidongxinhao。

 

 

 

人類擁有非常多種不同的漂亮膚色，多到以至於菲氏量表為膚色數值分類和對紫外線的反應而提供了7geleixingdebiaozhun。butongdefuseduiguangdexishoushibutongde
，yincimeiyizhongfusedetedianzaiyudouyoubutongdexiguangtupu。name，zheyiweizheguangdianshixinlvceliangshebeichuanganqibuhuodeguangdeqiangduhebochangshiqujueyuchuandaichuanganqiderendefusede。liru
，shensepifuxishoulvseguangjiaoduo，zheyebiaomingleweishenmedaduoshushebeicaiyonglvseLED作zuo為wei光guang線xian發fa射she器qi，限xian製zhi了le透tou過guo深shen色se皮pi膚fu準zhun確que測ce量liang心xin率lv的de能neng力li的de問wen題ti。這zhe同tong樣yang暴bao露lu出chu透tou過guo紋wen身shen的de皮pi膚fu測ce量liang心xin率lv的de問wen題ti，這zhe也ye是shi蘋ping果guo被bei人ren們men詬gou病bing的de“紋身門”，手腕有紋身的蘋果手表用戶發現顯示屏上的數據顯示非常微弱
，甚至沒有。

 

 

 

光(guang)電(dian)式(shi)心(xin)率(lv)監(jian)測(ce)器(qi)存(cun)在(zai)由(you)於(yu)周(zhou)期(qi)性(xing)活(huo)動(dong)期(qi)間(jian)的(de)運(yun)動(dong)而(er)產(chan)生(sheng)的(de)交(jiao)叉(cha)幹(gan)擾(rao)方(fang)麵(mian)的(de)問(wen)題(ti)，這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)麵(mian)臨(lin)的(de)最(zui)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)是(shi)這(zhe)種(zhong)活(huo)動(dong)帶(dai)來(lai)持(chi)續(xu)性(xing)的(de)相(xiang)同(tong)重(zhong)複(fu)的(de)動(dong)作(zuo)。這(zhe)點(dian)在(zai)記(ji)錄(lu)慢(man)跑(pao)和(he)跑(pao)步(bu)期(qi)間(jian)的(de)步(bu)伐(fa)頻(pin)率(lv)時(shi)最(zui)常(chang)見(jian)，因(yin)為(wei)這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)通(tong)常(chang)與(yu)心(xin)跳(tiao)頻(pin)率(lv)（140-180下／步數每分鍾）chuyutongyigejibenqujianli。xuduoguangdianshixinlvjianceshebeimianlindezhegewentishideyunsuanfazehenrongyijiangtongguoguangdianjianceshujulurudebufasulvcuowujieduchengxinlv。zhejiushiweirensuozhide“交叉問題”，因yin為wei在zai圖tu表biao上shang查zha看kan這zhe些xie數shu據ju時shi，當dang心xin率lv和he步bu伐fa速su率lv發fa生sheng重zhong疊die，許xu多duo光guang電dian式shi心xin率lv監jian測ce設she備bei傾qing向xiang於yu鎖suo定ding步bu伐fa速su率lv並bing將jiang其qi顯xian示shi為wei心xin率lv，盡jin管guan心xin率lv可ke能neng會hui在zai重zhong疊die後hou發fa生sheng巨ju大da改gai變bian。這zhe個ge交jiao叉cha幹gan擾rao的de問wen題ti在zai蘋ping果guo表biao上shang體ti現xian很hen明ming顯xian。

 

 

和其他腕部的光電式心率測量設備技術相比，很明顯蘋果表在“交叉”時顯示的心率監測失敗，標簽1到4人的步伐速率和心率相似
，蘋果的數字信號不能將它們區分開來。第2處交叉有超過兩分鍾把心率讀成了步伐速率。

 

 

設備在人體上使用時麵臨的獨有的挑戰是位置的不同會導致測量數據產生顯著的區別。最主要集中在三個部位：

 

1、耳朵－－在音頻耳塞裏

 

2、胳膊－－在上臂臂章上部或者下臂上

 

3
、手腕－－在智能手表或者運動追蹤器上

 

事實表明，腕部是最不能做到精確測量的部位之一。因為這個區域（肌肉
、肌腱、骨頭等等）會hui產chan生sheng更geng高gao的de光guang線xian幹gan擾rao，並bing且qie血xue管guan結jie構gou有you高gao度du的de變bian異yi性xing。前qian臂bi部bu位wei被bei認ren為wei是shi更geng好hao的de選xuan擇ze，因yin為wei在zai那na裏li的de皮pi膚fu表biao麵mian有you更geng高gao的de血xue管guan密mi度du。然ran而er
，對dui於yu光guang電dian式shi心xin率lv監jian測ce設she備bei來lai說shuo，耳er朵duo是shi至zhi今jin為wei止zhi被bei認ren為wei最zui佳jia的de部bu位wei。因yin為wei那na裏li隻zhi有you軟ruan骨gu和he毛mao細xi血xue管guan，即ji使shi身shen體ti在zai運yun動dong也ye不bu會hui移yi動dong太tai多duo
，因yin此ci大da大da減jian少shao了le必bi須xu被bei過guo濾lv的de光guang線xian的de幹gan擾rao。特te別bie是shi，密mi集ji的de動dong脈mai集ji合he存cun在zai於yu抗kang耳er屏ping耳er和he外wai耳er之zhi間jian。

 

 

上圖表明生物識別耳機和胸帶都能很好的排列，而腕部的光電式心率測量設備則做不到。

 

 

灌注是身體將血液運送到毛細血管床的過程。在膚色上，不同種族之間灌注的水平是有極大差別的，像肥胖、糖尿病
、心xin髒zang疾ji病bing和he動dong脈mai疾ji病bing等deng問wen題ti都dou會hui降jiang低di血xue液ye灌guan注zhu水shui平ping。低di水shui平ping灌guan注zhu，特te別bie是shi在zai四si肢zhi上shang，會hui對dui光guang電dian式shi心xin率lv監jian測ce設she備bei形xing成cheng挑tiao戰zhan
，因yin為wei信xin號hao和he幹gan擾rao的de比bi率lv可ke能neng會hui大da幅fu降jiang低di，低di水shui平ping灌guan注zhu和he低di水shui平ping的de血xue流liu信xin號hao是shi相xiang關guan聯lian的de。不bu幸xing的de是shi，低di水shui平ping灌guan注zhu在zai當dang今jin社she會hui太tai常chang見jian了le。所suo以yi，這zhe也ye是shi一yi個ge很hen大da的de問wen題ti。幸xing運yun的de是shi

，在zai大da多duo數shu由you於yu低di水shui平ping灌guan注zhu導dao致zhi光guang電dian式shi心xin率lv監jian測ce設she備bei失shi敗bai的de案an例li中zhong，心xin髒zang信xin號hao會hui在zai幾ji分fen鍾zhong的de熱re身shen後hou重zhong新xin恢hui複fu，即ji開kai始shi動dong脈mai血xue流liu流liu入ru毛mao細xi血xue管guan和he小xiao動dong脈mai的de新xin循xun環huan。

 

 

盡管現在市場上絕大部分的心率測量穿戴設備都采用的是PPG的測量原理，無論是從測量還是使用上來看都比較方便。但唯獨在測量精度
、穩定性方麵卻時常表現得不盡如人意
，誤差較大。

 

 

在腕帶式心率測量設備的使用過程中，通常會要求攜帶者佩戴嚴實，以避免漏光而使得環境光線對測量產生幹擾。

 

此外，皮膚的顏色、毛mao發fa和he汗han液ye也ye多duo多duo少shao少shao會hui對dui測ce量liang造zao成cheng影ying響xiang。一yi般ban來lai說shuo
，膚fu色se越yue深shen的de人ren光guang線xian越yue是shi難nan以yi穿chuan透tou。而er膚fu色se越yue淺qian的de人ren，反fan射she光guang則ze在zai明ming亮liang的de光guang束shu下xia又you越yue容rong易yi散san掉diao。為wei此ci，我wo們men也ye從cong用yong戶hu反fan饋kui中zhong窺kui得de其qi中zhong端duan倪ni。一yi位weiSamsung Gear 2的黑人用戶表示：膚色深的人根本用不了！我膚色還不算最深的，但是設備卻沒有一次能正常工作。而當我把傳感器移到指尖（手上膚色較淺的地方），設備就能好好運作。

 

yingxiangguangxuexinlvceliangshebeijingdudehaiyoulingyigezhongyaoyinsu，najiushiceliangdiandexuanze。youyuwanbumaoxixueguanxiazhai
，dangxueyexunhuanzhicishi，liusuyijingmanlexialai，wufazhenshifanyingjishixinlv。congshangmiandeyigelizibunanfaxian，rentizhijianyeshizhunqueceliangxinlvdeyigejuejiaweizhi。shenzhiyoushiyanxianshi
，zaizhijianchuceliangxinlvdejingduyaobishouwanchugao。zhezhuyaoshiyinweizhijianyouyitiaozhitongxinzangdedongmaixueguan，xueyedeliusujinsuixinzangmeiyicidepengdong。erzhijianpifuchengbantouming
，youliyuguangdechuantou，zhejinyibufangbianleguangxuechuanganqizaizhijiandedushu。

 

本文轉載自傳感器技術。