每天都在用手環監測心率 但你知道其中的原理嗎?

【PConline 雜談】

可穿戴設備一般都可以長期佩戴，因此從誕生以來，它們就被賦予了一個重要的使命——監測人體的各項生物指標，比如睡眠監測、心率監測等等。目前，心率監測已經成為智慧手環和智慧手錶的標配功能，一百多塊的產品也都配有心率監測感測器。這些手環和手錶到底是怎麼進行心率監測的？結果準確嗎？今天我們就來討論一下這個問題。

先從心率監測的基本原理說起。心率是指正常人安靜狀態下每分鐘的心跳次數，也叫安靜心率。成人正常心率為60-100次/分鐘，而運動員由於心肺功能較強，所以心率會比普通人低一些。心臟就像一個水泵，通過收縮和舒張把血液輸送到身體的各個部位。運輸是血液的基本功能，氧氣和營養物質都需要靠血液輸送才能到達全身各組織。

我們的許多行為都會對心率產生影響，比如吸煙或飲酒時，由於血液的攜氧能力降低，為了維持身體正常運轉，心臟就需要輸送更多血液來保證供氧量，心率就會提高；運動時身體需要的供氧量增加，心率也會隨之提高。因此心率是反映我們身體狀態的一個重要指標。

目前比較成熟的心率監測方法主要有3種，分別是心電信號法、動脈血壓法、以及光電法。

電脈衝測量使用幹性電極技術獲取人體心電資料，通過峰值檢測的到心率，原理和心電圖類似。

心臟機械收縮之前，會產生一個電激動，這種電激動可以通過人體組織傳到體表，電脈衝測量法就是通過監測這種電激動來測出心率。

電脈衝測量準確度最高，不過由於這種電信號的波長較長，所以監測用的兩個電極必須保持一定距離，這在體積很小的穿戴設備上也難以實現。

動脈血壓法通過感知動脈血壓來監測心率。心臟收縮時，動脈中血液流量增加，血壓升高；心臟舒張時，動脈中血液流量減少，血壓降低。這種血壓的變化十分明顯，用手就能感覺得到，所以過去才有“診脈”這種診斷方法。

動脈血壓法的缺點顯而易見，由於需要施加一定壓力才能感受到這種血壓變化，所以長期佩戴這種設備肯定會帶來壓迫感和不適感，因此除了血壓計之外，在其他心率監測設備中很少使用。

光電法基於光電容積圖（PPG）技術，分為透射式和反射式，透射式一般通過血氧含量測定心率。

血液中的血紅蛋白攜氧到達身體的各個部位，氧被身體消耗後，心臟泵血，將不帶氧等血紅蛋白送去補氧，同時帶來新的帶氧的血紅蛋白。這種迴圈和心率的變化是一致的，而帶氧的血紅蛋白和不帶氧的血紅蛋白對光的吸收率不同。通過發射特定波長的光線測出血液的含氧情況，從而進一步得到心率資料。

這種方法的優點是能同時測出心率和血氧飽和度兩個指標，但由於必須要讓光線穿透人體組織，所以只能在指尖、耳垂等特定部位使用。手環需要佩戴在手腕上，並不滿足透射式PPG的使用條件，所以很少在穿戴設備上使用。

反射式則通過光線反射感應血液流動時血管體積的變化，從而測出心率。目前市面上穿戴設備，如 Apple Watch、小米手環2等，大多採用這種方法。所以你在這些設備的心率感測器上可以很明顯的看到光線發射端和接收端，發射端發出綠光，接收端接受身體組織反射的光。

使用綠光，並不是因為血液是紅色的，而是因為所檢測的部位除了血液和血管，還有其他組織，這會帶來一定的信號“雜訊”，影響監測的準確性，而綠光的抗燥能力最強。在透射式PPG中，使用的就是紅光，因為紅光波長比較長，穿透力也更強。

至於準確性，我們平時的運動，姿勢，甚至皮膚顏色，都會對光電法的心率測量結果產生影響。所以大多數手環和手錶測出的心率基本都不是完全準確的，但基本能正確地反映出心率變化趨勢，對於普通人的運動心率監測來說已經夠用。