為什麼我選擇心率帶,而不選心率手環?

硬體工程師。中文名字叫「閏土」，英文名字叫"rain too"，是一個明明可以靠臉吃飯卻還埋頭苦幹的工程師。連續兩年出鏡《新聞聯播》。

在運動時使用心率監測，可以快速清楚地反映運動時的身體信息，不會因進入危險的無氧區域而造成身體損傷。讓運動強度保持在適當的水平，能達到更好的健身效果。因此監測心率數據的精準性十分重要。那麼，從測量心率的原理上，我們來分析如何獲得準確的心率數據？

從目前階段來看，測心率方法主要可以分三種。

 

第一種，光電容積脈搏波描記法（Photo Plethysmo Graphy ，PPG），是借光電手段在活體組織中檢測血液容積變化的一種無創檢測方法。當一定波長的光束照射到指端皮膚表面時，光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收器。

 

透射和反射的PPG

透射方式，通常因為接觸壓力較大會取得更高的信噪比，其實主要就是類似於傳感器固定在皮膚上，不會有相對運動造成的噪聲。此外對於測血氧含量的測量，也因為這個較大的接觸壓力可以減少靜脈血體積變化的影響（畢竟我們測的是動脈中的血氧而不是靜脈，靜脈中的血氧通常低一些），從而降低動脈血氧的測量誤差，而這一點是反射模式很難做到的。

一般來講，完整的血氧飽和度儀往往有2種發光二極體，一種波長660nm，是可見光的紅光，一種波長900多nm，是紅外線。血管中攜氧的血紅蛋白和不攜帶氧的血紅蛋白，對兩種光的吸收率是不同的同時。血管中的氧含量，是有消耗——心臟泵血增加——再消耗這樣的周期過程的，這個周期剛好與心率是一致的，由此測出心率。透射式可以獲得血氧和心率兩種信號，缺陷是要求人體組織需要足夠薄才行，全身上下只有指尖和耳垂。手腕太厚所以腕錶不適用此方案，目前市場上用此方案的主要有手指夾式測心率和帶測試心率功能的耳機這兩款產品。

反射方式，這種方案是追蹤可見光（綠光）在人體組織中的反射，通常是兩個綠色LED向人體發出可見光，因為外界溫度變化對綠光造成的信號漂移是最小，然後中間有個光電傳感器感應反射光。如下圖

反射式PPG

人體的皮膚，骨骼，肉，脂肪等對光的反射是固定值，而毛細血管和動脈靜脈由於隨著脈搏容積不停變大變小，所以對光的反射是波動值。這個波動的頻率就是脈搏，一般也跟心率是一致的。這種方法只能得到心率信號，但是相對對運動帶來的噪聲抵抗力比較強，很適合目前的運動腕錶。市場上所有的腕錶和手環幾乎都是採用這個方法，至於精度，除了apple watch以外，其它的都是用的同一款飛利浦的專利傳感器，唯一能做的花頭無非就是加速度儀去補償運動噪聲的算法不同。也就是說，該方案的核心技術不在於傳感器硬體，而是在於心率的軟體算法。

用此方案的智能穿戴設備主要缺點：

1、 如果手環或手錶和皮膚直接有很多汗液，那數值就會不準確。

2、 脈率在某種程度上不一定等於心率，特殊病人可能測出來不一致。

3、 測量靜息脈搏和正常有規則運動（跑步等）還是比較準的，但對於無規則的運動，如足球羽毛球等無規則運動，舉例所說的假設數值會亂蹦，會稍微準確度下降。

 

第二種，心電信號法，類似於心電圖（ECG）。心臟周圍的組織和體液都能導電，因此可將人體看成為一個具有長、寬、厚三度空間的容積導體。心臟好比電源，無數心肌細胞動作電位變化的總和可以傳導並反映到體表。在體表很多點之間存在著電位差，也有很多點彼此之間無電位差是等電的。通過收集到的電極變化，經過算法處理，不僅可以獲得心率值，還可以為診斷提供很多參考信息，大家去醫院一般用的心電儀就是採用這個原理。目前市面上最精確的可穿戴心率測量儀器，心率帶，也是採用這個方法。

ECG測量原理圖

但是由於心電信號的波長非常長，為了測得足夠精度的信號，信號電極和參考電極就必須在軀幹空間上隔得足夠遠。一般是胸上比較遠的兩點，或左右手，或手和腳等。所以一般腕錶和手環不會用這個方案。

至於心率帶，根據材質也分硬性和軟性兩種材質，有柔性薄膜電極的數值會準確一些，柔性薄膜電極（導電橡膠）可以緊密的貼住前胸輪廓, 光滑的電極表面沾水後會產生很強的吸附性，牢牢地粘附在皮膚表面，運動流汗不但不會影響心率帶的數據精準性，而且大大降低了運動中胸帶位移摩擦對心率信號的幹擾。

那麼心電測量有什麼缺點嗎？

——有的，貴。你想想，你每次去醫院體檢做個心電圖不要個百八十塊麼，處理複雜的數據，因為測得的是全身各個組織器官的數據，心率只是一個小小的部分。如果你只需要一個心率數據，我只能推薦你買一條心率帶，省錢省事。

 

第三種，動脈血壓法，最古老的方法，中醫診脈。在手腕或者頸部兩側，都可以經皮膚摸到動脈的壓力有規律地漲落。通過壓力傳感器可以將這個信號變成心率。這個方案也是目前商用最不成熟的，原因一是壓力傳感器需要長期對穿戴者的動脈半壓迫，有不適感。二是壓力傳感器難以以合適的方式固定在皮膚表面：固定地太緊會導致血流不暢，固定地太松又無法實現測量。這個問題在運動腕錶設計中表現得格外明顯。所以該方法一般只在醫院中對手術中手術後的靜息病人使用，故不展開說明了。

通過這三種方法的比較，不同人群對於自己智能穿戴設備的選擇應該有更進一步的理解了吧。從目前階段來看，縱使智能手環、手錶的前景一片光明，但不得不說該產品的心率檢測功能的出現，噱頭遠大於實際效用，若要準確的獲得心率數據還是推薦用心率帶。

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② 進入心率區間設置，可開啟心率警報，並設定警報心率數值；另外還可以根據自身實際情況，修改設置不同的心率區間值。

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