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手環檢測心率的工作原理是什麽?

先說心率監測的基本原理。心率是指正常人安靜狀態下每分鐘心跳的次數,也稱為安靜心率。成年人的正常心率為60-100次/分,但運動員由於心肺功能強,心率會低於普通人。心臟就像壹個水泵,通過收縮和舒張把血液輸送到身體的各個部位。運輸是血液的基本功能,氧氣和營養物質需要通過血液運輸才能到達全身各個組織。

我們的很多行為都會對心率產生影響。比如吸煙或飲酒時,由於血液的攜氧能力降低,為了維持身體的正常運轉,心臟需要輸送更多的血液來保證供氧,心率就會加快;當身體在運動中需要更多的氧氣時,心率也會加快。因此,心率是反映我們身體狀況的壹個重要指標。

目前比較成熟的心率監測方法有三種,即心電信號法、動脈血壓法和光電法。

電脈沖測量采用幹電極技術獲取人體心電數據,通過峰值檢測心率。原理和心電圖差不多。

心臟在機械收縮之前,會有壹種電興奮,這種電興奮可以通過人體組織傳遞到體表。電脈沖測量是通過監測這種電刺激來測量心率。

電脈沖測量的精度是最高的,但由於這種電信號的波長較長,用於監測的兩個電極必須保持壹定的距離,這在小型可穿戴設備上也很難實現。

動脈血壓法通過感應動脈血壓來監測心率。心臟收縮時,動脈血流量增加,血壓升高;心臟放松時,動脈血流量減少,血壓降低。血壓的這種變化非常明顯,用手就能感覺到,所以過去就有了“切脈”的診斷方法。

動脈血壓法的缺點是明顯的。因為需要施加壹定的壓力才能感受到這種血壓的變化,長時間佩戴這種設備肯定會帶來壓迫感和不適感,所以除了血壓計之外,很少在其他心率監測設備中使用。

光電法是基於光電容積描記(PPG)技術,分為透射式和反射式。透射式壹般通過血氧含量來測量心率。

血液中的血紅蛋白將氧氣輸送到身體的各個部位。氧氣被身體消耗後,心臟泵血,把無氧的血紅蛋白送去補充氧氣,又帶著氧氣帶來新的血紅蛋白。這種循環與心率的變化是壹致的,而含氧血紅蛋白和無氧血紅蛋白對光的吸收率是不同的。通過發射特定波長的光來測量血液的氧含量,從而進壹步獲得心率數據。

這種方法的優點是可以同時測量心率和血氧飽和度,但由於光線必須穿透人體組織,因此只能用於指尖、耳垂等特定部位。手環需要戴在手腕上,不符合透射式PPG的使用條件,所以很少用在可穿戴設備上。

反射型通過光反射來感知血液流動時血管容積的變化,從而測量心率。目前市面上大部分可穿戴設備,如Apple Watch、小米手環2等都采用這種方式。所以妳可以清楚的看到這些設備的心率傳感器上的發光端和接收端。發射端發射綠光,接收端接收身體組織反射的光。

使用綠光並不是因為血液是紅色的,而是因為血液和血管之外還有其他組織,會帶來壹些信號“噪聲”,影響監測的準確性,而綠光的抗幹能力最強。在透射PPG中,使用紅光,因為紅光波長更長,穿透力更強。

至於精度,我們平時的運動、姿勢甚至膚色都會對光電法的心率測量結果產生影響。所以大部分手環和手表測得的心率基本不完全準確,但基本能反映心率變化的趨勢,對於普通人的運動心率監測已經足夠。

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