淺談智能可穿戴設(shè)備中的心率檢測(cè)及其衍生應(yīng)用

羅倩倩

摘要：智能可穿戴設(shè)備是對(duì)日常穿戴進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)的總稱，具有對(duì)各種生命體征監(jiān)測(cè)的手環(huán)已成為市場(chǎng)的新寵，如小米手環(huán)。成本、體積、功耗以用戶感受的需求推動(dòng)了行業(yè)的研發(fā)熱點(diǎn)。本文將主要討論心率檢測(cè)的方法及其衍生的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能可穿戴；心率；容積描記波；心動(dòng)圖；HR；ECG；PPG；BCG

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）36-0196-02

“穿戴式智能設(shè)備”是應(yīng)用穿戴式技術(shù)對(duì)日常穿戴進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)出可以穿戴的設(shè)備的總稱，如智能手表或智能眼鏡等，以及只專注于某一類應(yīng)用功能，需要和其他設(shè)備如智能手機(jī)配合使用，如各類進(jìn)行體征監(jiān)測(cè)的智能手環(huán)、智能首飾等。早期的手環(huán)如Jawbone、Fitbit都僅僅具有記步、睡眠的功能，隨著技術(shù)的進(jìn)步以及用戶需求的變遷，可穿戴式智能設(shè)備的形態(tài)與應(yīng)用熱點(diǎn)也在不斷變化，最近推出的小米手環(huán)2已經(jīng)具有心率檢測(cè)功能，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)手環(huán)或手表這樣的標(biāo)準(zhǔn)穿戴式設(shè)備將具備更多的檢測(cè)檢測(cè)功能。

本文將主要探討智能心電率檢測(cè)的問(wèn)題。心率指的是每分鐘心跳的次數(shù)，相比于靜止心率我們更關(guān)注于動(dòng)態(tài)心率。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的心率我們叫做運(yùn)動(dòng)心率。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，心率數(shù)據(jù)可以反映我們的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)性質(zhì)、能量代謝、氧氣消耗、乳酸積累、機(jī)體疲勞程度等。因此，在運(yùn)動(dòng)中如果能及時(shí)了解自己的心率狀態(tài)，就能及時(shí)掌握自己的身體情況，并以此進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。這樣既可以大大減少因過(guò)度運(yùn)動(dòng)對(duì)身體的損傷，也可以在運(yùn)動(dòng)效率過(guò)低時(shí)提醒自己自己提高運(yùn)動(dòng)效率。

1各種心率檢測(cè)技術(shù)的介紹

1.1 生物電勢(shì)檢測(cè)法

如圖1左一所示，傳統(tǒng)的心率帶產(chǎn)品是基于心電ECG的檢測(cè)方法，典型產(chǎn)品如Polar心率帶。心電檢測(cè)需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)電極間的電勢(shì)差，因此胸前靠近心臟的位置最為理想，這里心電信號(hào)強(qiáng)而且運(yùn)動(dòng)時(shí)肢體運(yùn)動(dòng)造成的誤差較小。此外，由于人在運(yùn)動(dòng)時(shí)軀干的運(yùn)動(dòng)幅度相對(duì)于四肢要小的多，最新的心率帶往往帶有步態(tài)檢測(cè)功能，可以提醒用戶錯(cuò)誤的跑步姿勢(shì)并作出建議。主要的問(wèn)題是佩戴的舒適感較差，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的汗液會(huì)使心率帶松動(dòng)甚至汗液短路影響檢測(cè)，而且需要同時(shí)使用手機(jī)等智能設(shè)備搜集數(shù)據(jù)，使用不方便。但基于生物電勢(shì)法測(cè)量的心率帶產(chǎn)品是現(xiàn)有產(chǎn)品中實(shí)時(shí)性最強(qiáng)的、最精確的產(chǎn)品，仍然是不可或缺的應(yīng)用，下面介紹的檢測(cè)法都需要用電勢(shì)法檢測(cè)產(chǎn)品作為校準(zhǔn)參考。

1.2光電式心率檢測(cè)法

如圖1左二所示，光電式心率檢測(cè)法是新型的應(yīng)用，典型產(chǎn)品為Apple Watch心率檢測(cè)。光電式心率檢測(cè)技術(shù)利用光反射的原理檢測(cè)心率，人體中的血液由心臟推動(dòng)周期性地在血管中循環(huán)，具體體現(xiàn)為肺循環(huán)和體循環(huán)，肺循環(huán)通過(guò)肺部氧氣交互將空氣中的氧氣溶入血紅蛋白，然后通過(guò)體循環(huán)輸送至身體各個(gè)組織器官，氧氣在肢體和器官中與細(xì)胞進(jìn)行交互后消耗。上述過(guò)程隨著心跳周而復(fù)始地進(jìn)行著，體現(xiàn)在組織血液中含氧血紅蛋白數(shù)量的周期性變化。光電式心率檢測(cè)就是將一束光打到組織里并檢測(cè)返回光強(qiáng)，由于血液中的氧合血紅蛋白含量隨著脈動(dòng)呈周期性變化，光的吸收率發(fā)生了變化導(dǎo)致檢測(cè)到光強(qiáng)也隨之變化，這等于心率的變化。

光電式心率檢測(cè)相對(duì)于生物電勢(shì)法只需要單點(diǎn)測(cè)試，如手腕，測(cè)試簡(jiǎn)單而且不需要用戶配合，具有非常好的用戶體驗(yàn)，但由于測(cè)量的光信號(hào)非常微弱，該測(cè)量技術(shù)容易收到肢體運(yùn)動(dòng)及自然光的干擾，實(shí)際使用時(shí)需要配合運(yùn)動(dòng)去除算法才行。

由于光電式心率檢測(cè)的原理是基于傳統(tǒng)的容積描記波（PPG）技術(shù)，從PPG信號(hào)中可以提取血氧飽和度（SPO2）、心率（HR）、心率變異性分析（HRV）以及最大攝氧量（VO2 Max）等信息。心率對(duì)信號(hào)的要求最低最容易實(shí)現(xiàn)，最大攝氧量其次，血氧飽和度測(cè)量較難。傳統(tǒng)的血氧飽和度的測(cè)量主要是在信號(hào)較好的指甲端或耳垂上，手腕上的應(yīng)用受制于膚色、毛發(fā)等因素的影響測(cè)試精度難以保證。但作為一個(gè)基于PPG信號(hào)的衍生應(yīng)用，血氧飽和度、最大攝氧量、心率變異性分析仍有很大的發(fā)展空間

1.3生物復(fù)阻抗式心率檢測(cè)法

如圖1右二所示，這是一臺(tái) Inbody出品的身體成分分析儀，主要用于檢測(cè)身體水分、肌肉、脂肪等組織成分，用于健康指導(dǎo)。這是基于生物復(fù)阻抗檢測(cè)的技術(shù)，主要是利用身體不同成分（水分、肌肉、脂肪）在不同激勵(lì)頻率下體現(xiàn)的生物復(fù)阻抗特性來(lái)區(qū)分不同成分極其含量。目前的產(chǎn)品主要是體檢儀或者人體秤的產(chǎn)品樣式，采用雙手或者雙腳接觸檢測(cè)。但隨著技術(shù)進(jìn)步、精度的提高，在檢測(cè)復(fù)阻抗的同時(shí)檢測(cè)心率和呼吸率將不是問(wèn)題，甚至可以在手腕上直接檢測(cè)。其原理是血液在心臟的驅(qū)動(dòng)下在血管中周而復(fù)之地流動(dòng)，心臟的波動(dòng)和血液的流動(dòng)會(huì)使組織的阻抗也產(chǎn)生了周而復(fù)始的變化，這就是心率檢測(cè)的理論基礎(chǔ)。它也需要電極接觸，因此可以與電勢(shì)法測(cè)量心電復(fù)用電極測(cè)量，這樣一個(gè)傳感器可以輸出多個(gè)結(jié)果。但目前的精度仍需完善，而且容易受到運(yùn)動(dòng)干擾。

1.4機(jī)械震動(dòng)心率檢測(cè)法

如圖1右一所示，這是Fukuda Denshi出品的心動(dòng)圖檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)Ballistocardiograph（BCG心臟射血容量描記器）。檢測(cè)原理是利用精密加速度傳感器檢測(cè)心臟跳動(dòng)的震動(dòng)頻率，理想位置自然是靠近心臟。但如果將傳感器放于手腕上的話檢測(cè)難度將大大增加，因?yàn)槿梭w運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)傳感器造成極大的干擾，體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)、走路的震動(dòng)頻率將會(huì)完全淹沒(méi)心率信號(hào)。

2技術(shù)對(duì)比

從下面表1可以看出，生物電勢(shì)和光電式心率檢測(cè)方案是相對(duì)成熟的方案，目前市場(chǎng)上已經(jīng)有相應(yīng)的穿戴式產(chǎn)品出現(xiàn)，而基于復(fù)阻抗和機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)的方法還處于概念階段，方案尚未成熟，但具有非常大的市場(chǎng)潛力。尤其是復(fù)阻抗式檢測(cè)方法，它與皮電活動(dòng)檢測(cè)是一個(gè)范疇而且還可以與心電檢測(cè)復(fù)用電極，具有廣闊的市場(chǎng)潛力。

生物電勢(shì)法的功耗雖然低但是它需要兩電極參與，對(duì)產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)的要求較高，而且需要用戶的測(cè)試電極相隔一定距離。心率帶產(chǎn)品是最成功的應(yīng)用，由于放置位置靠近心臟，但是如果用戶在手腕上佩戴設(shè)備，采集心電必須靠雙手操作，如右手手指搭到左手手表上，使用不方便。光電式檢測(cè)法只要單點(diǎn)接觸皮膚組織就好，使用簡(jiǎn)單，可以對(duì)用戶進(jìn)行連續(xù)持續(xù)檢測(cè)，這一特性非常利于在手環(huán)、手表等單手設(shè)備上普及。由于它的精度提高依賴于發(fā)光二極管及接受光電管的靈敏度，整個(gè)設(shè)備的功耗及成本較高，另外設(shè)備依賴精密的光學(xué)結(jié)構(gòu)，設(shè)備容易受環(huán)境光的干擾。當(dāng)用戶運(yùn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)信號(hào)會(huì)受到很大干擾，因此需要復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)去除算法，這對(duì)處理器的要求較高，同樣引入了額外的功耗及系統(tǒng)演示，這與生物電勢(shì)法實(shí)時(shí)檢測(cè)不同，運(yùn)動(dòng)時(shí)的光電心率檢測(cè)技術(shù)往往具有較大的延時(shí)，這可用于趨勢(shì)分析但每個(gè)時(shí)刻的心率僅代表過(guò)去一段時(shí)間的平均值或者典型值。

3 結(jié)論

本文討論了幾種心率檢測(cè)技術(shù)，及其優(yōu)缺點(diǎn)。主要有四種方法：生物電勢(shì)法、光電式檢測(cè)法、復(fù)阻抗式檢測(cè)法以及機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)法，前兩種檢測(cè)方法已經(jīng)是成熟方法，而后兩種方法仍有待完善。

而且，這些方法還能排列組合衍生出不少新的應(yīng)用。例如，

1） 結(jié)合電勢(shì)法測(cè)量心電圖（ECG）可以與光電法測(cè)量容積描記波（PPG）結(jié)合用來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)創(chuàng)血壓檢測(cè)。

2）電勢(shì)法測(cè)量和復(fù)阻抗測(cè)試可以共享電極測(cè)量，這可以最大限度地利用有限的穿戴式設(shè)備體積測(cè)量更多的參數(shù)。

上述多傳感器融合的方法將也為我們后續(xù)的研究方向。

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