智能手表心率檢測(cè)的原理及不同方法的優(yōu)劣

智能手表、手機(jī)、耳機(jī)都能檢測(cè)心率，目前心率識(shí)別的原理方法有幾種?各自的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用是什么?有哪些已經(jīng)應(yīng)用到可穿戴設(shè)備上，他們和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用相比怎么樣?

血氧法：

基本測(cè)量的原理：血氧的含量，飽和度的測(cè)量在手指測(cè)量是最多的，也可以在腳趾、耳朵，這是最常見的測(cè)量血氧的地方。

原理就是用紅光和紅外光發(fā)射，這兩個(gè)要非常將近，保證他們?cè)谑种富旧戏浅＝咏奈恢?，可以保證檢測(cè)的準(zhǔn)確度。這本身對(duì)傳感器技術(shù)，LED也是挑戰(zhàn)。

紅光和紅外光是分開工作的，當(dāng)紅光工作的時(shí)候，紅外光是關(guān)閉的，可以保證紅光和紅外光之間的工作非常干擾，剛才講距離要非常近，保證在同一個(gè)身體組織結(jié)構(gòu)里面取得的信息。

當(dāng)你有脈動(dòng)的時(shí)候，走過毛細(xì)血管的時(shí)候把氧分子丟下了，回到這邊是還原的血紅蛋白。所以檢測(cè)的時(shí)候，紅光和紅外光都是一個(gè)光，一方面會(huì)受到組織結(jié)構(gòu)的衰減，再有受到靜脈血的衰減，還有動(dòng)脈的衰減，動(dòng)脈有兩個(gè)部分，一部分是存量的，總是在里面的，由于心臟的博動(dòng)，有一部分脈動(dòng)的血紅蛋白，血紅蛋白會(huì)增加。

因?yàn)橛行奶脑?，就是脈動(dòng)了，通過手指?jìng)魉偷墓鈴?qiáng)會(huì)不斷的變化。

這樣通過一定的算法既可以檢測(cè)到心率了，當(dāng)然發(fā)光二極管噪聲的處理是很關(guān)鍵的。

光電式：

一束光打在皮膚上，測(cè)量反射/透射的光。因?yàn)檠簩?duì)特定波長(zhǎng)的光有吸收作用，每次心臟泵血時(shí)都會(huì)該波長(zhǎng)都會(huì)被大量吸收，以此就可以確定心跳。缺點(diǎn)：耗電大，會(huì)因環(huán)境光干擾。

發(fā)綠光的就是LED啦，中間那個(gè)不發(fā)光的就是測(cè)量反射光的sensor。市面上幾乎所有運(yùn)動(dòng)手表都是這個(gè)原理。

這個(gè)是運(yùn)動(dòng)耳機(jī)。依照?qǐng)D片來看應(yīng)該也是光電式：L耳機(jī)那兩個(gè)空應(yīng)該就是一收一發(fā)。因?yàn)槎渖掀つw比較薄，所有對(duì)于光電式測(cè)量有一定的優(yōu)勢(shì)。

測(cè)心電信號(hào)：

測(cè)量心肌收縮的電信號(hào)。和心電圖類似原理。缺點(diǎn)：電路復(fù)雜，占PCB空間大。sensor必須緊貼皮膚，放置位置相對(duì)固定。心率帶常用。

第三種振動(dòng)式比較少見，最近才有產(chǎn)品出來。 因?yàn)槊看涡奶紩?huì)引起身體的震動(dòng)，通過高精度的傳感器捕捉這種震動(dòng)，再經(jīng)過信號(hào)處理可以得到心跳。比如下面的darma 坐墊。

他們用的是自己開發(fā)的光纖傳感器來測(cè)量這樣小的震動(dòng)。

我們通過光電式傳感器，檢測(cè)到下圖中的波形

脈沖傳感器的原始信號(hào)被放大，并使其在V / 2脈沖波，中點(diǎn)電壓附近。脈沖傳感器通道對(duì)光強(qiáng)度的相對(duì)變化。如果光入射在傳感器的數(shù)量保持不變，信號(hào)值將保持在(或接近)ADC范圍的中點(diǎn)。更多的光，信號(hào)則上升。較少的光，相反的。每個(gè)脈沖，從綠色的LED的光被反射回到傳感器的強(qiáng)度都會(huì)變化。

我們的目標(biāo)是瞬間心臟的連續(xù)跳動(dòng)，以及兩次跳動(dòng)的時(shí)間間隔，稱為搏動(dòng)間隔(IBI)。

心率計(jì)算是根據(jù)：相鄰兩個(gè)脈沖波的上升段的中間值之差，來進(jìn)行計(jì)算IBI的。然后就可以計(jì)算BPM的數(shù)值了。(BPM是Beat Per Minute的簡(jiǎn)稱，中文名為拍子數(shù)，釋義為每分鐘節(jié)拍數(shù)的單位。)

假設(shè)心電圖機(jī)的采樣率為1000，也即是每秒鐘要采樣1000個(gè)數(shù)據(jù)，那么怎樣依靠這些采樣的數(shù)據(jù)計(jì)算出心律呢?用計(jì)算機(jī)來計(jì)算心律可以發(fā)揮計(jì)算機(jī)計(jì)算能力強(qiáng)大的特點(diǎn)，就不用象人工掐脈數(shù)心律一樣，要等到一分鐘才能得到結(jié)果，用計(jì)算機(jī)來計(jì)算心律我們只要有4秒鐘的心電數(shù)據(jù)就可以了，即4000個(gè)數(shù)據(jù)就可以計(jì)算出心律了，瞬時(shí)性非常好。

假設(shè)我們要求的心率是x，那么心率計(jì)算的數(shù)學(xué)公式如下(R波指的是大小為4000的緩沖區(qū)里面，心跳波動(dòng)的各個(gè)波峰)：

x / (60*1000) = (R波個(gè)數(shù) - 1) / (最后一個(gè)R波位置 - 第一個(gè)R波位置)

求出x

x = (60*1000) * (R波個(gè)數(shù) - 1) / (最后一個(gè)R波位置 - 第一個(gè)R波位置)

這個(gè)數(shù)學(xué)公式中 (最后一個(gè)R波位置-第一個(gè)R波位置) 得到的是最后一個(gè)R波和第一個(gè)R波之間隔了多少個(gè)數(shù)據(jù)，采樣率1000的話，這個(gè)值其實(shí)就是隔了多少個(gè)毫秒。