智能手表心率檢測的原理及不同方法的優(yōu)劣

　　智能手表、手機、耳機都能檢測心率，目前心率識別的原理方法有幾種？各自的優(yōu)勢和應(yīng)用是什么？有哪些已經(jīng)應(yīng)用到可穿戴設(shè)備上，他們和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用相比怎么樣？

　　血氧法：

　　基本測量的原理：血氧的含量，飽和度的測量在手指測量是最多的，也可以在腳趾、耳朵，這是最常見的測量血氧的地方。

　　原理就是用紅光和紅外光發(fā)射，這兩個要非常將近，保證他們在手指基本上非常接近的位置，可以保證檢測的準(zhǔn)確度。這本身對傳感器技術(shù)，LED也是挑戰(zhàn)。

　　紅光和紅外光是分開工作的，當(dāng)紅光工作的時候，紅外光是關(guān)閉的，可以保證紅光和紅外光之間的工作非常干擾，剛才講距離要非常近，保證在同一個身體組織結(jié)構(gòu)里面取得的信息。

　　當(dāng)你有脈動的時候，走過毛細(xì)血管的時候把氧分子丟下了，回到這邊是還原的血紅蛋白。所以檢測的時候，紅光和紅外光都是一個光，一方面會受到組織結(jié)構(gòu)的衰減，再有受到靜脈血的衰減，還有動脈的衰減，動脈有兩個部分，一部分是存量的，總是在里面的，由于心臟的博動，有一部分脈動的血紅蛋白，血紅蛋白會增加。

　　因為有心跳的原因，就是脈動了，通過手指傳送的光強會不斷的變化。

　　這樣通過一定的算法既可以檢測到心率了，當(dāng)然發(fā)光二極管噪聲的處理是很關(guān)鍵的。

　　光電式：

　　一束光打在皮膚上，測量反射/透射的光。因為血液對特定波長的光有吸收作用，每次心臟泵血時都會該波長都會被大量吸收，以此就可以確定心跳。缺點：耗電大，會因環(huán)境光干擾。

　　發(fā)綠光的就是LED啦，中間那個不發(fā)光的就是測量反射光的sensor。市面上幾乎所有運動手表都是這個原理。

　　這個是運動耳機。依照圖片來看應(yīng)該也是光電式：L耳機那兩個空應(yīng)該就是一收一發(fā)。因為耳朵上皮膚比較薄，所有對于光電式測量有一定的優(yōu)勢。

　　測心電信號：

　　測量心肌收縮的電信號。和心電圖類似原理。缺點：電路復(fù)雜，占PCB空間大。sensor必須緊貼皮膚，放置位置相對固定。心率帶常用。

　　第三種振動式比較少見，最近才有產(chǎn)品出來。 因為每次心跳都會引起身體的震動，通過高精度的傳感器捕捉這種震動，再經(jīng)過信號處理可以得到心跳。比如下面的darma 坐墊。

　　他們用的是自己開發(fā)的光纖傳感器來測量這樣小的震動。

　　我們通過光電式傳感器，檢測到下圖中的波形

　　脈沖傳感器的原始信號被放大，并使其在V / 2脈沖波，中點電壓附近。脈沖傳感器通道對光強度的相對變化。如果光入射在傳感器的數(shù)量保持不變，信號值將保持在（或接近）ADC范圍的中點。更多的光，信號則上升。較少的光，相反的。每個脈沖，從綠色的LED的光被反射回到傳感器的強度都會變化。

　　我們的目標(biāo)是瞬間心臟的連續(xù)跳動，以及兩次跳動的時間間隔，稱為搏動間隔（IBI）。

　　心率計算是根據(jù)：相鄰兩個脈沖波的上升段的中間值之差，來進(jìn)行計算IBI的。然后就可以計算BPM的數(shù)值了。（BPM是Beat Per Minute的簡稱，中文名為拍子數(shù)，釋義為每分鐘節(jié)拍數(shù)的單位。）

　　假設(shè)心電圖機的采樣率為1000，也即是每秒鐘要采樣1000個數(shù)據(jù)，那么怎樣依靠這些采樣的數(shù)據(jù)計算出心律呢？用計算機來計算心律可以發(fā)揮計算機計算能力強大的特點，就不用象人工掐脈數(shù)心律一樣，要等到一分鐘才能得到結(jié)果，用計算機來計算心律我們只要有4秒鐘的心電數(shù)據(jù)就可以了，即4000個數(shù)據(jù)就可以計算出心律了，瞬時性非常好。

　　假設(shè)我們要求的心率是x，那么心率計算的數(shù)學(xué)公式如下（R波指的是大小為4000的緩沖區(qū)里面，心跳波動的各個波峰）：

　　x / （60*1000） = （R波個數(shù) - 1） / （最后一個R波位置 - 第一個R波位置）

　　求出x

　　x = （60*1000） * （R波個數(shù) - 1） / （最后一個R波位置 - 第一個R波位置）

　　這個數(shù)學(xué)公式中 （最后一個R波位置-第一個R波位置） 得到的是最后一個R波和第一個R波之間隔了多少個數(shù)據(jù)，采樣率1000的話，這個值其實就是隔了多少個毫秒。