有氧运动心率监测中三款运动手环准确性的比较

史咏美

通过控制变量法，通过20名大学生在不同强度有氧运动时，佩戴三款运动手环（PolarM430、小米3手环、华为荣耀3手环）时监测到的心率，来评估它们的准确性。安静状态时，各运动手环的准确性较高，互相之间的差异不大。有氧运动时，各运动手环心率测量的准确性并不一致，且随着运动强度增加，准确性呈下降的趋势。

运动手环普遍采用光电容积脉搏波描记法（PPG）進行心率监测。当光照透过皮肤组织后，再反射到光敏传感器，血液的流动下光照会有一定的衰减，传感器收集这些不同反射量的光，继而转为数字信号，最后经过算法输出心率值。但是这种测量方法易受环境因素影响而造成心率检测的误差，进而影响到运动强度的控制，造成运动效果下降，因此有必要对不同运动手环运动心率监测的准确性进行研究。

1 研究对象和方法

研究对象为20名扬州大学社会体育指导与管理专业的学生，其中男7人，女13人，并将参与者分为四组，每组五人。PolarM430采用了6颗LED光学心率传感器（LED），并配备了特别定制的心率算法，具有高品质、高精度的特点，因此作为本次研究心率测量的效标。通过比较不同运动手环在有氧运动中进行心率监测的有效性来评估它们的准确性。

实验过程分为4个阶段：（1）静坐五分钟后，记录安静状态下的监测心率。（2）进行3分钟的小强度匀速快走，通过Polar表将心率控制在110-130左右，结束后即刻进行心率测量并记录。（3）休息2分钟。（4）进行3分钟的中强度匀速跑，通过Polar表将心率控制在130-150左右，结束后即刻进行心率测量并记录。其中低强度运动心率参考人体最大心率的60%，中等强度的心率范围参考人体最大心率的60%-80%，最大心率以（220-年龄）来估算。

2 研究结果与分析

2.1 安静状态下不同运动手环心率测量的准确性

20名大学生静坐五分钟，同时通过PolarM430手表、华为3手环、小米3手环进行安静心率的测量。其中PolarM430手表测量的安静心率均值±标准差为66±3.1（次/分）。不同手环与PolarM430手表测量结果之间的差异描述结果见表1。

与Polarm430手表的安静心率测试结果相比，华为3及小米3运动手环均相差2-3次/分。从绝对误差来看，华为3手环的绝对误差略低，为2.05。从绝对误差百分比（MAPE）来看，华为3手环的均值低于小米，但均不超过4%。因此从平均值上来看，对安静状态心率的测量，华为3运动手环的准确性略好于小米3。但结合绝对误差、绝对误差百分比的标准差来看，华为3手环安静心率误差的标准差均高于小米3，这表明华为3手环测试误差的稳定性欠佳。

为进一步讨论PolarM430手表、华为3手环、小米3手环安静心率测量的一致性，进行了Bland-Altman分析，结果见图1。

对于安静心率的测试，与PolarM430手表相比，华为3手环与和小米3手环的误差的均值分别为为-1.1次/分、-0.2次/分，一致性95%置信区间分别为（-5.9，8.1）、（-6.1，6.4）。对比PolarM430手表，两者的误差均值均不大，但一致性95%置信区间范围均略大，这除了与测量对象个体特征有关，更可能与不同手环测量心率的技术有关。从一致性区间范围上看，小米3手环对安静心率测量准确性略好于华为3手环。

2.2 小强度运动时不同运动手环心率测量的准确性

20名大学生控制心率在110-130次/分，进行小强度的3分钟快走，同时通过PolarM430手表、华为3手环、小米3手环进行运动后即刻心率的测量。其中PolarM430手表测量的心率均值±标准差为122±3.7（次/分）。不同手环与PolarM430手表测量结果之间的差异描述结果见表2。

与Polarm430手表的3分钟小强度运动时心率测试结果相比，平均而言，华为3及小米3运动手环均会相差3-4次/分。从绝对误差来看，华为3手环的绝对误差的均值略低于小米3手环，为3.42。同时从绝对误差百分比（MAPE）来看，华为3手环的均值也略低，为2.7%。因此从平均值上来看，对小强度的运动心率测量，华为3运动手环的准确性略好于小米3。但结合绝对误差、绝对误差百分比的标准差来看，小强度运动时华为3手环心率误差的标准差均高于小米3，这表明小强度运动时，华为3手环测试误差的稳定性欠佳，与安静状态心率结果一致。

为进一步讨论PolarM430手表、华为3手环、小米3手环在小强度运动时测量的一致性，进行了Bland-Altman分析，结果见图2。

对于小强度运动时心率的测试，PolarM430手表相比，华为3手环误差的均值为1.8次/分，一致性95%置信区间为（-13.7，10）；小米3手环误差的均值为0.2次/分，一致性95%置信区间为（-11.4，11.4）。这表明无论是华为3手环还是小米3手环，平均而言会略低估运动时的心率，与PolarM430手表误差均值都不大，但一致性95%置信区间范围均较大。与安静心率的测量相比，无论是小米3手环还是华为3手环，小强度运动时的一致性区间范围都明显变宽，这表明两手环在小强度运动时，两手环心率测量的稳定性均变差，这除了与测量对象个体特征有关，更可能与运动状态下手臂不同幅度摆动导致手环的滑动、不同手环心率测量技术等有关。相比于安静状态，运动状态下，手环进行心率监测的准确性降低。

2.3 中等强度运动时不同运动手环心率测量的准确性

20名大学生控制心率在130-150次/分，进行小强度的3分钟快跑，同时通过PolarM430手表、华为3手环、小米3手环进行运动后即刻心率的测量。其中PolarM430手表测量的心率均值±标准差为146±5.7（次/分）。不同手环与PolarM430手表测量结果之间的差异描述结果见表4。

与Polarm430手表的3分钟中等强度运动时心率测试结果相比，平均而言，华为3及小米3运动手环均会相差5-6次/分。从绝对误差来看，华为3手环的絕对误差的均值略高于小米3手环，为5.73。同时从绝对误差百分比（MAPE）来看，华为3手环的均值也略高，为3.8%。因此从平均意义上来看，对中等强度的运动心率测量，小米3运动手环的准确性略好于华为3。结合绝对误差、绝对误差百分比的标准差来看，中等强度运动时华为3手环心率误差的标准差均高于小米3，这表明中等强度运动时，华为3手环测试误差的稳定性欠佳，与前面的实验结果一致。

为进一步讨论PolarM430手表、华为3手环、小米3手环在中等强度运动时测量的一致性，进行了Bland-Altman分析，结果见图3。

对于中等强度运动时心率的测量，与PolarM430手表相比，华为3手环误差的均值为-4.2次/分，一致性95%置信区间为（-16.7，7.9）；小米3手环误差的均值为-1.9次/分，一致性95%置信区间为（-14.4，10.5）。这表明无论是华为3手环还是小米3手环，与PolarM430手表的误差均值均不是太大，但一致性95%置信区间范围均较大。与安静状态、小强度运动时的心率测量相比，中等强度运动时，无论是小米3手环还是华为3手环，一致性区间范围都明显变宽，这表明随着运动强度的加大，两手环心率测量的稳定性均会变得更差。这除了与测量对象个体特征有关，更可能与运动强度增大后人体汗液均多，手环与皮肤之间的隔膜导致反应延时等有关系。

3 研究结论与建议

3.1 建议

大学生在进行有氧运动时，若以参考为目的，用华为3或小米2手环进行心率的监测都是不错的选择，但应注意其结果均存在一定的误差，佩戴部位，测量方法均会影响结果，特别是进行大强度的运动时，误差会更大。因此不能盲目相信运动手环心率测量的结果。对于心率的监测，若更侧重于准确性，可根据实践情形选择触诊、电子胸带监测装备或心电图的方式。

3.2 结论

安静状态时，各运动手环监测心率的准确性较高，互相之间的差异不大。从平均值来看，华为3及小米3手环对安静心率测量的准确性均较高：有氧运动时，各运动手环心率测量的准确性并不一致，且随着运动强度增加，准确性呈下降的趋势。小强度运动时，华为3略好于小米3手环，中等强度运动时，小米3略好于华为3手环。

（作者单位：扬州大学体育学院）