文/圖埃微手環心率技術組
為什麼要測量心率？
心率（HeartRate）是用來描述心動周期的專業術語，指的是以第一心音為準的心髒每分鐘跳動的次數。作為人體最重要的生命體征之一，每個人的心率都會因年齡、性别及其他生理情況的不同而不同。一般而言，正常成年人安靜時的心率平均在75次/分左右(60~100次/分之間)。同一個人，在安靜或睡眠時心率減慢，運動時或情緒激動時心率加快，在某些藥物或神經體液因素的影響下，會使心率發生加快或減慢。經常進行體力勞動和體育鍛煉的人，平時心率較慢。
具體來說，影響心率變化的因素主要是三大調節系統，即自身調節、體液調節、神經調節。顧名思義，自身調節就是指心髒本身對心率的調節，比如運動員的心髒因心肌有力每搏輸出量較大，以較低靜息心率便能滿足人體器官的基本需求；甲亢患者因血液中甲狀腺激素分泌增多而導緻心率升高，這是體液調節；而男孩子看到心儀的美女心跳加速則是由于交感神經系統興奮所引起，這便是神經調節。
因此，心率的變化能直接或間接地反映人體多方面的健康狀态，這就是測量心率的意義。放在智能穿戴領域，測量心率的意義則主要表現在三個方面。首先是運動方面，一般而言，心率可以體現用戶運動時身體的真實信息，如果心率太高運動太劇烈，用戶的身體水分蒸發太快，那麼這種運動對身體無益，如果隻是輕度運動心率不夠高，用戶也就不可能燃燒足夠卡路裡。其次是疾病方面，通過監測靜息心率是否在正常範圍、日常活動中監測心髒停搏、心率異常增高等可起到及時預防疾病的作用，甚至通過心電監測心率還能檢測到心律是否異常，比如二聯律、心電波形異常相關心髒疾病等。此外，通過指尖光電容積脈搏波描記法還可以監測脈搏波變化，以分析脈率、血氧濃度，糖尿病患者的微循環外周血管狀态等。最後是精神方面，通過監測到的心率變異性，可分析自主神經功能評估，如精神壓力、緊張與放松程度以及睡眠質量等。
大部分智能手表都采用了光電法監測心率，它們的明顯特征是傳感器部位配備了綠色LED燈。
采用透射式光電法的智能穿戴産品通常以一個夾子固定心率監測如何實現？
作為21世紀的新興産物—智能穿戴産品，因其特定的使用場景和佩戴要求，應用在該領域的心率監測技術目前主要有光電容積脈搏波描記法，簡稱光電法（PhotoPlethysmoGaphy，PPG）、心電信号法、壓力振蕩法、圖像信号分析法等幾類。
光電法簡單來說，這種測量心率的方法就是基于物質對光的吸收原理，通過智能穿戴設備的綠色LED燈搭配感光光電二極管照射血管一段時間，由于血液是紅色的，它可以反射紅光吸而收綠光，在心髒跳動時，血液流量增多，綠光的吸收量會随之變大；處于心髒跳動的間隙時血流會減少，吸收的綠光也會随之降低。因此，根據血液的吸光度可測量心率。
具體而言，當一定波長的光束照射到皮膚表面時，光束将通過透射或反射方式傳送到光電接收器，在此過程中由于受到皮膚肌肉和血液吸收的衰減作用，檢測器監測到光的強度将減弱。其中人體的皮膚、骨骼、肉、脂肪等對光的反射是固定值，而毛細血管和動靜脈則在心髒的作用下随着脈搏容積不停變大變小。當心髒收縮時，外周血容量最多、光吸收量也最大，檢測到的光強度最小；而在心髒舒張時，正好相反，檢測到的光強度最大，使光接收器接收到的光強度随之呈脈動性變化。
這種測量原理的光電傳感器有很多種，根據光信号接收位置的不同，光電法又可分為透射和反射兩種模式。
①透射式光電法
透射式光電法指的是可穿戴設備上的發生器（emitter）和光敏接收器（detector）位于所測部位的兩側（通常由一個夾子固定），入射光穿過皮膚進入深層組織，除了被皮膚、肌肉、血液、骨骼等吸收外，剩下部分的光線透射被光敏接收器感知。根據其原理，這種方法适用的測量部位是人體兩面距離比較短的組織，如耳垂、手指、腳趾等，而具有代表性的智能穿戴産品就是那些耳夾式心率監測儀、指甲式血氧儀等。
這一監測方法的優點也十分明顯，多數透射式光傳感器多應用于手指、耳垂、腳趾等部位，所以此類産品在外形上通常采取密封暗盒的結構，能很好的減少外源性的光幹擾，從而提高測量精度和穩定性。由于其信噪比高、信号穩定，除了測量心率之外還可以通過波形分析心搏功能、血液流動等諸多心血管生理信息。不過它的缺點則是，由于測量部位的限制，它不适合應用在智能手環、智能手表上，而應用在耳垂、腳趾等部位的産品又會有穿戴不舒适的感覺。
②反射式光電法與透射式光電法
剛好相反，反射式光電法中，可穿戴設備上的發生器（emitter）和光敏接收器（detector）位于所測部位的同一側，主要測量反射回來的光。這種方法測量心率的優點是非常簡便無需胸帶，對測量部位的要求也很低，隻要組織比較平滑且皮下脂肪少的的地方幾乎都可以測量，比如額頭、手腕。因此，大部分智能手環、智能手表等穿戴設備都采用了這種方法測量心率。而且，以智能手環或智能手表的産品形式出現也完美地解決了透射式光電法中心率監測與佩戴舒适的雙重要求。
在心率監測準确度上，反射式光電法通常采用上文提到的綠色光，因為其波長（530nm）被證明在提供具準确度的測量結果方面能與屬于黃金标準的心電圖（electrocardiogram，ECG）媲美。不過，反射式光電法雖然在穩定狀态下表現良好，但是當設備戴在手腕末端，會随着使用者走路或無規則運動而像鐘擺一般上下蕩，離心力将使得血液量出現大變化；當血管收縮壓與離心力在血液中交互作用，就更難分辨血管中的血量。
比如，用戶的跑步速度越快，手臂擺動的頻率就越快。如果用戶的手臂擺動過快，那麼戴在手腕上的檢測儀（智能手環、智能手表）就會不停地移動位置，亦或是傳感器就無法清晰地檢測到血液的流動，這兩者都有可能降低心率數據的準确度。此外，可穿戴設備佩戴的松緊和人體皮膚血流量的大小也會影響到監測準确度。比如，夏天的時候手臂上的血管會鼓起，血流量充足；而在冬天寒冷的室外，手臂上的血管就不會凸起得那麼突兀了，這時候流經手臂的血液量也會少一些，甚至會低到心率傳感器無法讀取數值。
心電信号法心電信号法其實就是醫療級别常用的最準确的測量心率的方法。心髒在每個心動周期中，由起搏點、心房、心室相繼興奮，伴随着無數心肌細胞動作電位變化，這些生物電的變化稱為心電，而通過心電的周期性變化便可以檢測到心率。除了心率，心電圖可以為我們提供大量相關信息，這些信息包括心髒功能障礙、心髒疾病、以及心髒功能恢複情況、患者的軀體和心理壓力情況等。對于智能穿戴設備來說，配備的傳感器可以通過測量心肌收縮的電信号來判斷使用者的心率情況，原理和心電圖類似，這種方法的準确度非常高，但缺點是電路比較複雜，占PCB空間比較大，易受電磁幹擾，同時傳感器必須緊貼皮膚，放置位置相對固定，所以采用這種測量方式的智能穿戴産品并不多見。
壓力振蕩法和圖像信号分析法
壓力振蕩法主要應用在電子血壓計上，血壓計袖帶給手臂加壓，通過薄膜壓力傳感器探測動脈血管的搏動振幅進行AD轉換，從而測量血壓與脈率（根據一定時間内有多少個脈搏波計算出心率）。圖像信号分析法主要是利用臉部圖像估測心率。因為，心髒跳動時人臉上的顔色會産生細微的變化，而且胸口和肩膀也有細微的動作，對采集到的圖像進行可以估測心率和呼吸頻率。美國麻省理工學院推出的VitalRadio則是由路由器發出Wi-Fi信号，當信号遇到周圍的人或者物體的時候就會馬上反彈，通過特殊的算法可計算出每次信号的反射速度，以此來判斷有無生命物體，如果是生命體的話，這款産品就會記錄人體心率和呼吸頻率。
可以看到，這兩種方法對使用者要求較高，僅限于人體相對靜止的情況，方法不當結果也會差很多，甚至患有某些心血管疾病的病人測量結果不太準确。因此，智能穿戴設備領域采用這兩種方法測量心率的産品非常少。
智能穿戴産品該怎麼選？
介紹了這麼多種心率監測方法，那麼智能穿戴設備和消費者到底該選哪一種方法好呢？
對于智能穿戴設備廠商來說，這取決于産品的市場定位。如果定位為一款時尚手環，那麼其監測心率的功能很多時候隻是一種點綴，用戶使用的大多數功能可能是看時間、短信推送、記步等，這時候僅僅需要能提供靜态心率功能就足夠了。如果是一款運動手表，光電法以其便捷性和穿戴舒适性取勝；主要應用于運動方向，那麼通過光電法監測的心率準确率也基本上可以滿足其需求。此外，對于普通的運動監測需求，運動手表需要做到動态心率功能，及能實時的長時監測心率，并且需要在運動過程中能較好地排除由運動造成的心率信号幹擾。因此，采用加速度計等補償算法是更好的選擇。
當然，對于普通消費者來說，目前世面上絕大部分智能穿戴産品（特别是智能手環、智能手表）的心率監測功能都較為準确，作為普通人運動和健身監測的工具更是綽綽有餘。因此，隻需要按照自己心裡預估價位、個人喜好等特點挑選即可。不過，對于相對專業的運動員來說，還是建議佩戴測心電信号的心率胸帶，因為這類産品的準确度更高，可以通過監測運動員的心率變異性以提供更多的健康指标，如無氧阈值估算、動後恢複時間預估等。
心電圖導聯體系
國外一項将AppleWatch與專業心率監測器MioAlpha對比測試的研究表明，AppleWatch心率監測的準确度可媲美MioAlpha。