智能手表-心率传感器概述

智能手表心率传感器概述

当今的智能手表上，生物体征监测成了不可或缺的一大指标。而心率作为重要的生命体征参数，成为了智能手表上的标配。智能算法的加入，使得不管是在静止还是运动中，都能记录下心率的情况，给到用户作为健康参考。那么今天，我们就来介绍一下，智能手表中的心率传感器

一、心率传感器技术原理

1. PPG 光电容积脉搏波描记法原理

简单来说，就是反射而已，利用血液中透光率的脉动变化，折算成电信号，通过软件算法转换，对应的就是心率。

当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时，光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器，在此过程中由于受到指，端皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用，检测器检测到的光强度将减弱。其中皮肤、肌肉组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的，而皮肤内的血液，容积在心脏作用下呈搏动性变化。当心脏收缩时外周血容量最多光吸收量也最大，检测到的光强度最小。而在心脏舒张时，正好相反，检测到的光强度最大，使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化。

市面上手表应用，在测量心率时，相信大家都有所见，闪烁着绿色的光。那么问题来了，为什么是绿色的光呢？

图 1 – 绿色 LED 配合心率传感器进行心率监测

因为在血液这种红色液体面前，绿光的吸收率是最大的，对于数据判断是比较准确的。

当用户的心脏跳动时，会有更多的血液流过用户的手腕，绿光的吸收量也会越大。在心脏跳动间隙，血液流量减少，导致绿光的吸收也会减少。再此原理基础上，配合相应的心率算法，即可较为精准的测量出心率啦！也就是我们所说的 PPG 信号（ Photoplethysmography，简称PPG ）

这种方法的的原理也是它所存在的缺点，如果手表与皮肤之间有很多汗液，或者与皮肤接触不紧密，加入了环境光的干扰，那数值就会不准确。

总的来说这种方法测量静息脉搏和正常有规则运动（跑步等）还是比较准的，但对于无规则的运动，如足球羽毛球等无规则运动，举例所说的假设数值会乱蹦，会稍微准确度下降。

2. 心电信号测量， ECG（心电图）

简单来说，心脏周围的组织和体液都能导电，因此可将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。心脏好比电源，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表。在体表很多点之间存在着电位差，也有很多点彼此之间无电位差是等电的。通过收集到的电极变化，经过算法处理，可以还原出很多数值，其中可以还原出心率数值。

图 2 – 心肌细胞电位变化

ECG 是一种经胸腔以时间为单位记录心脏的电生理活动，利用在人体皮肤表面贴上的电极，可以侦测到心脏的电位传动，而心电图所记录的并不是单一心室或心房细胞的电位变化，而是心脏整体的电位变化。心电图的结果通常以波型显示，基本包括有 P 波、 QRS 波组、 T 波。 P 波代表的是心房收缩， QRS 波组则是心室收缩， T 波是心室舒张。有关心跳率的测量或评估，是以 R 波与 R 波的间隔时间来代表。 RR 间隔越大代表心跳率越低， RR 间隔越小代表心跳率越高。测量 ECG 信号常常要在身体多个部位连接传感器电极，在胸部和四肢之间最多可以连接 10 个电极。

图 3 – 心电图波段示意图

二、PPG 信号和 ECG 信号的对比

根据 PPG 与 ECG 个别的生理特征点，我们可以发现 ECG 的峰值来自于心室的收缩，而 PPG 的峰值则是因为血管收缩所造成的，因此我们可以得到血液自心脏送出后到达量测部位的传输时间，也就是脉搏波传递时间 Pulse Transit Time ( PTT )，脉搏波传递的速度与血压是直接相关的，血压高时，脉搏波传递快，反之则慢，所以通过心电信号 ECG 与脉搏波信号 PPG 获得脉搏传递时间 ( PTT )，再加上常规的一些身体参数 ( 如身高、体重 ) 即可得出脉搏波传递速度，通过建立的特征方程来估计人体脉搏的收缩压与舒张压，可实现无创连续血压测量。