心率(Heart Rate)用來描述心動(dòng)周期的專業(yè)術(shù)語，是指心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)，以第一聲音為準(zhǔn)。心率，現(xiàn)代漢語將心率解釋為“心臟跳動(dòng)的頻率”。頻率就是在單位時(shí)間內(nèi)，某件事情發(fā)生的次數(shù)。兩種解釋合起來就是，心臟在一定時(shí)間內(nèi)跳動(dòng)的次數(shù)，也就是在一定時(shí)間內(nèi)，心臟跳動(dòng)快慢的意思。一般為60～100次/分，可因年齡、性別或其他生理因素產(chǎn)生個(gè)體差異。一般來說，年齡越小，心率越快，老年人心跳比年輕人慢，女性的心率比同齡男性快，這些都是正常的生理現(xiàn)象。安靜狀態(tài)下，成人正常心率為60～100次/分鐘，理想心率應(yīng)為55～70次/分鐘(運(yùn)動(dòng)員的心率較普通成人偏慢，一般為50次/分鐘左右)。

　　作為21世紀(jì)的新興產(chǎn)物—智能穿戴產(chǎn)品，因其特定的使用場景和佩戴要求，應(yīng)用在該領(lǐng)域的心率監(jiān)測技術(shù)目前主要有光電容積脈搏波描記法，簡稱光電法、心電信號(hào)法、壓力振蕩法、圖像信號(hào)分析法等幾類。

　　光電法

　　簡單來說，這種測量心率的方法就是基于物質(zhì)對(duì)光的吸收原理，通過智能穿戴設(shè)備的綠色LED燈搭配感光光電二極管照射血管一段時(shí)間，由于血液是紅色的，它可以反射紅光吸而收綠光，在心臟跳動(dòng)時(shí)，血液流量增多，綠光的吸收量會(huì)隨之變大;處于心臟跳動(dòng)的間隙時(shí)血流會(huì)減少，吸收的綠光也會(huì)隨之降低。因此，根據(jù)血液的吸光度可測量心率。

　　具體而言，當(dāng)一定波長的光束照射到皮膚表面時(shí)，光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收器，在此過程中由于受到皮膚肌肉和血液吸收的衰減作用，檢測器監(jiān)測到光的強(qiáng)度將減弱。其中人體的皮膚、骨骼、肉、脂肪等對(duì)光的反射是固定值，而毛細(xì)血管和動(dòng)靜脈則在心臟的作用下隨著脈搏容積不停變大變小。當(dāng)心臟收縮時(shí)，外周血容量最多、光吸收量也最大，檢測到的光強(qiáng)度最小;而在心臟舒張時(shí)，正好相反，檢測到的光強(qiáng)度最大，使光接收器接收到的光強(qiáng)度隨之呈脈動(dòng)性變化。

　　大部分智能手表都采用了光電法監(jiān)測心率，它們的明顯特征是傳感器部位配備了綠色LED燈。

　　這種測量原理的光電傳感器有很多種，根據(jù)光信號(hào)接收位置的不同，光電法又可分為透射和反射兩種模式。

　　1、透射式光電法

　　透射式光電法指的是可穿戴設(shè)備上的發(fā)生器(emitter)和光敏接收器(detector)位于所測部位的兩側(cè)(通常由一個(gè)夾子固定)，入射光穿過皮膚進(jìn)入深層組織，除了被皮膚、肌肉、血液、骨骼等吸收外，剩下部分的光線透射被光敏接收器感知。根據(jù)其原理，這種方法適用的測量部位是人體兩面距離比較短的組織，如耳垂、手指、腳趾等，而具有代表性的智能穿戴產(chǎn)品就是那些耳夾式心率監(jiān)測儀、指甲式血氧儀等。

　　采用透射式光電法的智能穿戴產(chǎn)品通常以一個(gè)夾子固定。

　　這一監(jiān)測方法的產(chǎn)品在外形上通常采取密封暗盒的結(jié)構(gòu)，能很好的減少外源性的光干擾，從而提高測量精度和穩(wěn)定性。由于其信噪比高、信號(hào)穩(wěn)定，除了測量心率之外還可以通過波形分析心搏功能、血液流動(dòng)等諸多心血管生理信息。缺點(diǎn)是，不適合應(yīng)用在智能手環(huán)、智能手表上，而應(yīng)用在耳垂、腳趾等部位的產(chǎn)品又會(huì)有穿戴不舒適的感覺。

　　2、反射式光電法

　　與透射式光電法剛好相反，反射式光電法中，可穿戴設(shè)備上的發(fā)生器(emitter)和光敏接收器(detector)位于所測部位的同一側(cè)，主要測量反射回來的光。這種方法測量心率的優(yōu)點(diǎn)是非常簡便，對(duì)測量部位的要求也很低，只要組織比較平滑且皮下脂肪少的的地方幾乎都可以測量，比如額頭、手腕。因此，大部分智能手環(huán)、智能手表等穿戴設(shè)備都采用了這種方法測量心率。而且，以智能手環(huán)或智能手表的產(chǎn)品形式出現(xiàn)也完美地解決了透射式光電法中心率監(jiān)測與佩戴舒適的雙重要求。

　　不過，反射式光電法雖然在穩(wěn)定狀態(tài)下表現(xiàn)良好，但是當(dāng)設(shè)備戴在手腕末端，會(huì)隨著使用者走路或無規(guī)則運(yùn)動(dòng)而像鐘擺一般上下蕩，離心力將使得血液量出現(xiàn)大變化;當(dāng)血管收縮壓與離心力在血液中交互作用，就更難分辨血管中的血量。因此可能降低心率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。此外，可穿戴設(shè)備佩戴的松緊和人體皮膚血流量的大小也會(huì)影響到監(jiān)測準(zhǔn)確度。

　　心電信號(hào)法：

　　心電信號(hào)法其實(shí)就是醫(yī)療級(jí)別常用的最準(zhǔn)確的測量心率的方法。心臟在每個(gè)心動(dòng)周期中，由起搏點(diǎn)、心房、心室相繼興奮，伴隨著無數(shù)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位變化，這些生物電的變化稱為心電，而通過心電的周期性變化便可以檢測到心率。除了心率，心電圖還可以提供包括心臟功能障礙、心臟疾病、以及心臟功能恢復(fù)情況、患者的軀體和心理壓力情況等。

　　對(duì)于智能穿戴設(shè)備來說，配備的傳感器可以通過測量心肌收縮的電信號(hào)來判斷使用者的心率情況，原理和心電圖類似，這種方法的準(zhǔn)確度非常高，但缺點(diǎn)是電路比較復(fù)雜，占PCB空間比較大，易受電磁干擾，同時(shí)傳感器必須緊貼皮膚，放置位置相對(duì)固定，所以采用這種測量方式的智能穿戴產(chǎn)品并不多見。

　　心電圖導(dǎo)聯(lián)體系：

　　壓力振蕩法和圖像信號(hào)分析法

　　壓力振蕩法主要應(yīng)用在電子血壓計(jì)上，血壓計(jì)袖帶給手臂加壓，通過薄膜壓力傳感器探測動(dòng)脈血管的搏動(dòng)振幅進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，從而測量血壓與脈率(根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)有多少個(gè)脈搏波計(jì)算出心率)。圖像信號(hào)分析法主要是利用臉部圖像估測心率。因?yàn)椋呐K跳動(dòng)時(shí)人臉上的顏色會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的變化，而且胸口和肩膀也有細(xì)微的動(dòng)作，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行可以估測心率和呼吸頻率。美國麻省理工學(xué)院推出的Vital-Radio則是由路由器發(fā)出Wi-Fi信號(hào)，當(dāng)信號(hào)遇到周圍的人或者物體的時(shí)候就會(huì)馬上反彈，通過特殊的算法可計(jì)算出每次信號(hào)的反射速度，以此來判斷有無生命物體，如果是生命體的話，這款產(chǎn)品就會(huì)記錄人體心率和呼吸頻率。

　　這兩種方法對(duì)使用者要求較高，僅限于人體相對(duì)靜止的情況，方法不當(dāng)結(jié)果也會(huì)差很多，甚至患有某些心血管疾病的病人測量結(jié)果不太準(zhǔn)確。因此，智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域采用這兩種方法測量心率的產(chǎn)品非常少。

　　小結(jié)分享

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