浅谈智能可穿戴设备中的心率检测及其衍生应用

罗倩倩

摘要：智能可穿戴设备是对日常穿戴进行智能化设计的总称，具有对各种生命体征监测的手环已成为市场的新宠，如小米手环。成本、体积、功耗以用户感受的需求推动了行业的研发热点。本文将主要讨论心率检测的方法及其衍生的应用。

关键词：智能可穿戴；心率；容积描记波；心动图；HR；ECG；PPG；BCG

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）36-0196-02

“穿戴式智能设备”是应用穿戴式技术对日常穿戴进行智能化设计、开发出可以穿戴的设备的总称，如智能手表或智能眼镜等，以及只专注于某一类应用功能，需要和其他设备如智能手机配合使用，如各类进行体征监测的智能手环、智能首饰等。早期的手环如Jawbone、Fitbit都仅仅具有记步、睡眠的功能，随着技术的进步以及用户需求的变迁，可穿戴式智能设备的形态与应用热点也在不断变化，最近推出的小米手环2已经具有心率检测功能，相信在不远的将来手环或手表这样的标准穿戴式设备将具备更多的检测检测功能。

本文将主要探讨智能心电率检测的问题。心率指的是每分钟心跳的次数，相比于静止心率我们更关注于动态心率。运动过程中的心率我们叫做运动心率。在运动过程中，心率数据可以反映我们的运动强度、运动性质、能量代谢、氧气消耗、乳酸积累、机体疲劳程度等。因此，在运动中如果能及时了解自己的心率状态，就能及时掌握自己的身体情况，并以此进行相应调整。这样既可以大大减少因过度运动对身体的损伤，也可以在运动效率过低时提醒自己自己提高运动效率。

1各种心率检测技术的介绍

1.1 生物电势检测法

如图1左一所示，传统的心率带产品是基于心电ECG的检测方法，典型产品如Polar心率带。心电检测需要测量两个电极间的电势差，因此胸前靠近心脏的位置最为理想，这里心电信号强而且运动时肢体运动造成的误差较小。此外，由于人在运动时躯干的运动幅度相对于四肢要小的多，最新的心率带往往带有步态检测功能，可以提醒用户错误的跑步姿势并作出建议。主要的问题是佩戴的舒适感较差，长时间的运动产生的汗液会使心率带松动甚至汗液短路影响检测，而且需要同时使用手机等智能设备搜集数据，使用不方便。但基于生物电势法测量的心率带产品是现有产品中实时性最强的、最精确的产品，仍然是不可或缺的应用，下面介绍的检测法都需要用电势法检测产品作为校准参考。

1.2光电式心率检测法

如图1左二所示，光电式心率检测法是新型的应用，典型产品为Apple Watch心率检测。光电式心率检测技术利用光反射的原理检测心率，人体中的血液由心脏推动周期性地在血管中循环，具体体现为肺循环和体循环，肺循环通过肺部氧气交互将空气中的氧气溶入血红蛋白，然后通过体循环输送至身体各个组织器官，氧气在肢体和器官中与细胞进行交互后消耗。上述过程随着心跳周而复始地进行着，体现在组织血液中含氧血红蛋白数量的周期性变化。光电式心率检测就是将一束光打到组织里并检测返回光强，由于血液中的氧合血红蛋白含量随着脉动呈周期性变化，光的吸收率发生了变化导致检测到光强也随之变化，这等于心率的变化。

光电式心率检测相对于生物电势法只需要单点测试，如手腕，测试简单而且不需要用户配合，具有非常好的用户体验，但由于测量的光信号非常微弱，该测量技术容易收到肢体运动及自然光的干扰，实际使用时需要配合运动去除算法才行。

由于光电式心率检测的原理是基于传统的容积描记波（PPG）技术，从PPG信号中可以提取血氧饱和度（SPO2）、心率（HR）、心率變异性分析（HRV）以及最大摄氧量（VO2 Max）等信息。心率对信号的要求最低最容易实现，最大摄氧量其次，血氧饱和度测量较难。传统的血氧饱和度的测量主要是在信号较好的指甲端或耳垂上，手腕上的应用受制于肤色、毛发等因素的影响测试精度难以保证。但作为一个基于PPG信号的衍生应用，血氧饱和度、最大摄氧量、心率变异性分析仍有很大的发展空间

1.3生物复阻抗式心率检测法

如图1右二所示，这是一台 Inbody出品的身体成分分析仪，主要用于检测身体水分、肌肉、脂肪等组织成分，用于健康指导。这是基于生物复阻抗检测的技术，主要是利用身体不同成分（水分、肌肉、脂肪）在不同激励频率下体现的生物复阻抗特性来区分不同成分极其含量。目前的产品主要是体检仪或者人体秤的产品样式，采用双手或者双脚接触检测。但随着技术进步、精度的提高，在检测复阻抗的同时检测心率和呼吸率将不是问题，甚至可以在手腕上直接检测。其原理是血液在心脏的驱动下在血管中周而复之地流动，心脏的波动和血液的流动会使组织的阻抗也产生了周而复始的变化，这就是心率检测的理论基础。它也需要电极接触，因此可以与电势法测量心电复用电极测量，这样一个传感器可以输出多个结果。但目前的精度仍需完善，而且容易受到运动干扰。

1.4机械震动心率检测法

如图1右一所示，这是Fukuda Denshi出品的心动图检测设备，检测Ballistocardiograph（BCG心脏射血容量描记器）。检测原理是利用精密加速度传感器检测心脏跳动的震动频率，理想位置自然是靠近心脏。但如果将传感器放于手腕上的话检测难度将大大增加，因为人体运动会对传感器造成极大的干扰，体现在运动、走路的震动频率将会完全淹没心率信号。

2技术对比

从下面表1可以看出，生物电势和光电式心率检测方案是相对成熟的方案，目前市场上已经有相应的穿戴式产品出现，而基于复阻抗和机械振动检测的方法还处于概念阶段，方案尚未成熟，但具有非常大的市场潜力。尤其是复阻抗式检测方法，它与皮电活动检测是一个范畴而且还可以与心电检测复用电极，具有广阔的市场潜力。

生物电势法的功耗虽然低但是它需要两电极参与，对产品工业设计的要求较高，而且需要用户的测试电极相隔一定距离。心率带产品是最成功的应用，由于放置位置靠近心脏，但是如果用户在手腕上佩戴设备，采集心电必须靠双手操作，如右手手指搭到左手手表上，使用不方便。光电式检测法只要单点接触皮肤组织就好，使用简单，可以对用户进行连续持续检测，这一特性非常利于在手环、手表等单手设备上普及。由于它的精度提高依赖于发光二极管及接受光电管的灵敏度，整个设备的功耗及成本较高，另外设备依赖精密的光学结构，设备容易受环境光的干扰。当用户运动时，整个信号会受到很大干扰，因此需要复杂的运动去除算法，这对处理器的要求较高，同样引入了额外的功耗及系统演示，这与生物电势法实时检测不同，运动时的光电心率检测技术往往具有较大的延时，这可用于趋势分析但每个时刻的心率仅代表过去一段时间的平均值或者典型值。

3 结论

本文讨论了几种心率检测技术，及其优缺点。主要有四种方法：生物电势法、光电式检测法、复阻抗式检测法以及机械振动检测法，前两种检测方法已经是成熟方法，而后两种方法仍有待完善。

而且，这些方法还能排列组合衍生出不少新的应用。例如，

1） 结合电势法测量心电图（ECG）可以与光电法测量容积描记波（PPG）结合用来实现连续无创血压检测。

2）电势法测量和复阻抗测试可以共享电极测量，这可以最大限度地利用有限的穿戴式设备体积测量更多的参数。

上述多传感器融合的方法将也为我们后续的研究方向。

参考文献：

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