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揭秘Apple Watch是怎樣實現心率監測的

來源: 作者: 瀏覽:- 發布日期:2016-08-30 09:12:00 【

Apple Watch利用LED綠光和紅外光,以及兩種光傳感器來檢測心率。當其處于15攝氏度(59華氏度)以下的低溫時,通過測量綠光的吸收狀況來獲取更為精準的數據。而高溫環境下,比如用戶正在健身房里揮汗如雨時,皮膚表面水分增加,由于更多綠光已經被吸收掉,要檢測皮下反射的綠光就比較困難,這時Apple Watch就轉換到紅外光模式。

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這種用于血流檢測的光學技術,專業上稱為“光電容積脈搏波描記法(photoplethysmography)”,簡稱PPG。綠光PPG跟EKG(心電圖)獲取的數據更接近。

下圖顯示的是PPG測量結果和EKG、血壓數據的對比情況。可以看出PPG技術上的優勢,以及跟EKG數據更為匹配:

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心臟平均每分鐘跳(bpm)72下。運動過程中,肌肉需要更多氧氣,心跳會加速來滿足氧氣供應;健身時,Apple Watch的心率感應器將心率數據顯示在手腕的屏幕上,用戶可以隨時隨地用Heart Rate Glance查看。

Apple Watch的綠光模式每分鐘檢測一次,而紅外光模式每十分鐘檢測一次,收集用戶的心率和脈沖等數據。信息和數據儲存在健康應用中,幫助計算用戶消耗的卡路里數量,還可以反映運動強度以及運動過程中的心率變化。

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Apple Watch是如何檢測心率的?

“光電容積脈搏波描記法(photoplethysmography)”的英文單詞讀起來難,但原理卻簡單:血液是紅色的,反射紅光,吸收綠光。Apple Watch結合綠色LED光跟感光光電二極管,檢測特定時間手腕處流通的血液量。

心臟跳動的一瞬,手腕處流通的血液量增加,吸收更多綠光;而心跳間隙,吸收的綠光就少一些。Apple Watch上LED光每秒閃動數百次,計算出每分鐘的心跳次數,也就是心率。

Apple Watch心率傳感器的紅外光模式每十分鐘檢測一次心率。倘若紅外系統無法讀取足夠數據的話,Apple Watch就會自動轉換到綠光模式。心率傳感器還通過提高LED亮度和采樣率來應對信號不足的情況。

正確佩戴方式有助于提高數據準確性

即便在理想條件下,Apple Watch也不能次次保證所有用戶都能得到準確的心率數據。一小部分用戶的心率數據有可能受到諸多不確定因素的影響。但有一些技巧可以幫助Apple Watch保持穩定的工作狀態,提高數據準確性。

· 手表松緊度

如果Apple Watch佩戴不當,傳感器可能無法檢測心率。解決方案是:稍稍上緊表帶,達到舒適的松緊度即可。

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· 其他影響因素

其他因素也會影響Apple Watch心率傳感器的正常工作,例如皮膚血流(skin perfusion)和運動狀態(motion)。皮膚血流是指流經皮膚的血液量,因個人情況和環境影響產生差別,比如在寒冷的環境下健身時,手腕上的皮膚血流量可能過低,導致心率傳感器無法讀取數據;就運動狀態而言,跑步或自行車等節律性運動相比網球和拳擊等非節律性運動,更以獲取準確的心率數據。

受到上述因素影響,心率傳感器狀態不穩定時,可將Apple Watch無線連接到外部的藍牙胸帶等心率檢測器上。

心率只是Apple Watch用于評估用戶運動健身狀況的參數之一。Apple Watch會根據不同的健身項目選擇最合適的參數。比如在室內跑步時,Apple Watch會采用加速計;在室外騎自行車時,采用iPhone里的GPS。即使用戶一天下來并沒有健身,Apple Watch也會追蹤其他活動的狀況。總而言之,Apple Watch不但提供信息,還鼓勵通過健身來保持身形和健康。

耳朵脈搏血氧計采集的PPG數據,反映呼吸引起的振幅變化,很有代表性:

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檢測心率的過程

PPG是通過光學技術獲取的體積描記圖,測量特定器官的體積。脈搏血氧器將光線照射在皮膚上,獲取反映光線吸收變化的數據,描繪出PPG。傳統的脈搏血氧器檢測真皮和皮下組織的血流量。

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人體皮膚由數層組成

每個心率周期(cardiac cycle)里,心臟跳動著將血液輸送到心臟外圍。雖然壓力脈沖(pressure pulse)在觸及皮膚的瞬間速度有所減緩,但足以使皮下組織的動脈和小動脈擴張。壓力脈沖在脈搏血氧計不擠壓皮膚的狀態下以次峰的形式在靜脈叢處體現。

LED光線照射在皮膚上,再檢測有多少光線傳輸或反射回光電二極管,以此法得到壓力脈沖導致的血流量變化的數據,而皮膚血流量受多個生理系統調整。其他循環數據,如呼吸、血容量過低的狀況也可在PPG中體現。檢測對象不同,PPG的電子波形也會發生變化,且受到脈搏血氧計安裝地點和方式的影響。

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水對光的吸收狀況

通過對比PPG中綠光和紅外光的反射狀況,以及ECG獲取的數據,可以評估脈搏率測量的準確性。綠光和紅外光的波長分別為525和880nm,實驗在25攝氏度的環境中以及皮膚溫度低于15攝氏度的條件下進行。反射綠光的PPG獲取的脈搏率數據跟ECG RR間期、以及反射紅外光的PPG進行了對比。結果顯示,在兩種溫度下,綠光PPG和ECG獲取的數據均有很高的關聯度。綠光PPG比紅外光PPG更具優勢,尤其是在溫度低于15攝氏度的情況下。

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