转载

揭秘Apple Watch心率监测技术

　　Apple Watch 利用 LED 绿光和红外光，以及两种光传感器来检测心率。当其处于 15 摄氏度（59 华氏度）以下的低温时，通过测量绿光的吸收状况来获取更为精准的数据。而高温环境下，比如用户正在健身房里挥汗如雨时，皮肤表面水分增加，由于更多绿光已经被吸收掉，要检测皮下反射的绿光就比较困难，这时 Apple Watch 就转换到红外光模式。

　　这种用于血流检测的光学技术，专业上称为“光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography）”，简称 PPG。绿光 PPG 跟 EKG（心电图）获取的数据更接近。

　　下图显示的是 PPG 测量结果和 EKG、血压数据的对比情况。可以看出 PPG 技术上的优势，以及跟 EKG 数据更为匹配：

揭秘Apple Watch心率监测技术

　　心脏平均每分钟跳（bpm）72 下。运动过程中，肌肉需要更多氧气，心跳会加速来满足氧气供应；健身时，Apple Watch 的心率感应器将心率数据显示在手腕的屏幕上，用户可以随时随地用 Heart Rate Glance 查看。

　　Apple Watch 的绿光模式每分钟检测一次，而红外光模式每十分钟检测一次，收集用户的心率和脉冲等数据。信息和数据储存在健康应用中，帮助计算用户消耗的卡路里数量，还可以反映运动强度以及运动过程中的心率变化。

揭秘Apple Watch心率监测技术

　　Apple Watch 是如何检测心率的？

　　“光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography）”的英文单词读起来难，但原理却简单：血液是红色的，反射红光，吸收绿光。Apple Watch 结合绿色 LED 光跟感光光电二极管，检测特定时间手腕处流通的血液量。

　　心脏跳动的一瞬，手腕处流通的血液量增加，吸收更多绿光；而心跳间隙，吸收的绿光就少一些。Apple Watch 上 LED 光每秒闪动数百次，计算出每分钟的心跳次数，也就是心率。

　　Apple Watch 心率传感器的红外光模式每十分钟检测一次心率。倘若红外系统无法读取足够数据的话，Apple Watch 就会自动转换到绿光模式。心率传感器还通过提高 LED 亮度和采样率来应对信号不足的情况。

　　正确佩戴方式有助于提高数据准确性

　　即便在理想条件下，Apple Watch 也不能次次保证所有用户都能得到准确的心率数据。一小部分用户的心率数据有可能受到诸多不确定因素的影响。但有一些技巧可以帮助 Apple Watch 保持稳定的工作状态，提高数据准确性。

手表松紧度

　　如果 Apple Watch 佩戴不当，传感器可能无法检测心率。解决方案是：稍稍上紧表带，达到舒适的松紧度即可。

揭秘Apple Watch心率监测技术

其他影响因素

　　其他因素也会影响 Apple Watch 心率传感器的正常工作，例如皮肤血流（skin perfusion）和运动状态（motion）。皮肤血流是指流经皮肤的血液量，因个人情况和环境影响产生差别，比如在寒冷的环境下健身时，手腕上的皮肤血流量可能过低，导致心率传感器无法读取数据；就运动状态而言，跑步或自行车等节律性运动相比网球和拳击等非节律性运动，更以获取准确的心率数据。

　　受到上述因素影响，心率传感器状态不稳定时，可将 Apple Watch 无线连接到外部的蓝牙胸带等心率检测器上。

　　心率只是 Apple Watch 用于评估用户运动健身状况的参数之一。Apple Watch 会根据不同的健身项目选择最合适的参数。比如在室内跑步时，Apple Watch 会采用加速计；在室外骑自行车时，采用 iPhone 里的 GPS。即使用户一天下来并没有健身，Apple Watch 也会追踪其他活动的状况。总而言之，Apple Watch 不但提供信息，还鼓励通过健身来保持身形和健康。

　　耳朵脉搏血氧计采集的 PPG 数据，反映呼吸引起的振幅变化，很有代表性：

揭秘Apple Watch心率监测技术

　　检测心率的过程

　　PPG 是通过光学技术获取的体积描记图，测量特定器官的体积。脉搏血氧器将光线照射在皮肤上，获取反映光线吸收变化的数据，描绘出 PPG。传统的脉搏血氧器检测真皮和皮下组织的血流量。

揭秘Apple Watch心率监测技术

人体皮肤由数层组成

　　每个心率周期（cardiac cycle）里，心脏跳动着将血液输送到心脏外围。虽然压力脉冲（pressure pulse）在触及皮肤的瞬间速度有所减缓，但足以使皮下组织的动脉和小动脉扩张。压力脉冲在脉搏血氧计不挤压皮肤的状态下以次峰的形式在静脉丛处体现。

　　将 LED 光线照射在皮肤上，再检测有多少光线传输或反射回光电二极管，以此法得到压力脉冲导致的血流量变化的数据，而皮肤血流量受多个生理系统调整。其他循环数据，如呼吸、血容量过低的状况也可在 PPG 中体现。检测对象不同，PPG 的电子波形也会发生变化，且受到脉搏血氧计安装地点和方式的影响。

揭秘Apple Watch心率监测技术

水对光的吸收状况

　　通过对比 PPG 中绿光和红外光的反射状况，以及 ECG 获取的数据，可以评估脉搏率测量的准确性。绿光和红外光的波长分别为 525 和 880nm，实验在 25 摄氏度的环境中以及皮肤温度低于 15 摄氏度的条件下进行。反射绿光的 PPG 获取的脉搏率数据跟 ECG RR 间期、以及反射红外光的 PPG 进行了对比。结果显示，在两种温度下，绿光 PPG 和 ECG 获取的数据均有很高的关联度。绿光 PPG 比红外光 PPG 更具优势，尤其是在温度低于 15 摄氏度的情况下。

正文到此结束