智能手環(huán)計算心率的算法程序

 

現(xiàn)有智能設(shè)備的研究主要涉及心率這個生理參數(shù)，導(dǎo)致了很多智能硬件設(shè)備很難兼顧多種生理參數(shù)，對于生理指標(biāo)的測量往往過于單一。這種情況正在隨著硬件性能的提升逐步得到改善。

 

 

心率監(jiān)測的方法常見的有兩種：心動電流測量法和光電透射測量法。

 

心動電流測量法！在醫(yī)院中測量心電圖時經(jīng)常會看到，通過測量人體不同點的電勢變化，從而測量出心率變化，該方法測量精準(zhǔn)，但必須同時監(jiān)測人體的兩個部位，而我們平時用手機(jī)和手表的時候都是單手接觸產(chǎn)品，所以無法做到持續(xù)監(jiān)測。

 

光電透射測量法！可穿戴設(shè)備上一般都采用這個，它是一種通過光反射測量的光電心率傳感器以及利用人體不同部位電勢測量的電極式心率傳感器。特點是準(zhǔn)確度欠佳，優(yōu)勢在于體積小。

 

2020年，很多手環(huán)具備ECG+PPG相結(jié)合的心率測量方法！這樣的測量方式會使得測量結(jié)果更加準(zhǔn)確！

 

除了心率數(shù)據(jù)，華為手環(huán)已經(jīng)能監(jiān)測血氧飽和度、壓力、睡眠等多項數(shù)據(jù)。當(dāng)血氧飽和度過低時，人體會疲憊、嗜睡，影響工作狀態(tài)，而華為手環(huán)還能實時監(jiān)測血氧飽和度含量，幫助我們適時調(diào)整狀態(tài)。常見的智能運動手表的心率監(jiān)測實際上都是PPG方式，這種監(jiān)測方式更快但是容錯率也很高；而智能心率帶則不一樣，它的監(jiān)測方式采用的是ECG，這種操作方式簡單來講就是將心率帶圍繞胸部固定，心率帶內(nèi)側(cè)的電極片會捕捉心臟跳動時在皮膚表面引起的微小電學(xué)變化，這些小變化會被發(fā)送至心率表通過算法轉(zhuǎn)化為當(dāng)前我們看到的心率。

 

健康知識提升：有氧運動黃金心率一般在每分鐘120次到160次，都是屬于正常的范圍。人在安靜的狀態(tài)下心率一般在每分鐘60次到100次，在運動的時候會出現(xiàn)心率加快。有氧運動屬于比較健康的運動方法，能夠起到增強(qiáng)體質(zhì)以及免疫力的功效，并且也能夠起到減肥的作用。有氧運動主要包括慢跑或者是快走以及爬山等等，可以每天堅持進(jìn)行鍛煉。靜止、慢走、慢跑、快走、爬山模式可以通過加速度傳感器的數(shù)據(jù)來判別！

 

ECG是通過生物電來進(jìn)行檢測，人體的組織和細(xì)胞在生命活動過程中會發(fā)生電位和極性變化，這些電變化統(tǒng)稱為生物電。ECG是英文Electrocardiogram的縮寫，ECG的中文意思是心電圖。心臟生物電即是生物電的一種，心臟在每次跳動中，都伴隨著生物電的變化，通過米動健康手環(huán)捕捉心臟發(fā)出的電信號， 經(jīng)過數(shù)字化信號處理后，就能輸出準(zhǔn)確、詳細(xì)的心臟健康信息。PPG指的是光電容積脈搏波描記法，簡稱PPG。監(jiān)測心率的原理很簡單：血液是紅色的，反射紅光，吸收綠光。兩者相結(jié)合能夠更為準(zhǔn)確的進(jìn)行監(jiān)測和顯示。

 

了解一些簡單的原理！漲知識！

 

當(dāng)然這些對于信號處理是有幫助的！因為信號處理中的一個重要步驟就是特征處理，了解了原理，才能更加準(zhǔn)確的把握數(shù)據(jù)的特性！先看傳感器涉及的原理知識！

 

人體組織包含血液、皮膚、骨骼等。當(dāng)固定波長的光束穿過人體組織時，血液會吸收部分光能。在一個脈搏周期內(nèi)，由于心肌的收縮擴(kuò)張活動，脈管的壓力發(fā)生周期性的變化，脈管中的血容量也會發(fā)生周期的變化，當(dāng)心肌收縮時，血容量變大，吸光物質(zhì)變多，返回的光能變?nèi)?，舒張時期血容量變小，吸光物質(zhì)變多，返回的光能變強(qiáng)。利用光電傳感器接收返回的光能，會發(fā)現(xiàn)光能的變化和心臟活動變化一致。這種接收的光就是光電容積脈搏波。光分為紅光和綠光兩種！

 

檢測光強(qiáng)的傳感器除了接收到我們所發(fā)出的光線反射光，也會接收到環(huán)境光的反射光。

 

如果我們用綠光結(jié)合檢測綠光的傳感器，環(huán)境光中的綠色成分基本被人體吸收的差不多了，反射到傳感器上的基本可以忽略。如果換成紅光（紅外光），由于人體對紅光（紅外光）吸收較少，環(huán)境光的紅色（紅外）成分還是會有部分反射到傳感器，從而對于有效信號形成干擾。所以用綠光比用紅光抗環(huán)境光影響的能力要好。手環(huán)里面的CPU會接收到這兩種光的測量值，算法會根據(jù)這些值來計算出心率！選擇綠光作為光源還有其他原因。比如皮膚中的黑色素可以吸收大或短波長的波；皮膚上的水分也會吸收很多紫外線和紅外線波段的光，紫外線是紫外線，紅外線是紅外線。大部分進(jìn)入皮膚組織的綠光(500nm)-黃光(600nm)會被紅細(xì)胞吸收。與其他波長的光相比，紅光和接近IR的光更容易透過皮膚組織；血液比其他組織吸收更多的光；與紅光相比，綠色(綠-黃)光能被氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收。一般來說，青紅光可以作為測量光源。大多數(shù)早期的設(shè)備使用紅光作為光源。經(jīng)過進(jìn)一步的研究和比較，綠光作為光源獲得的信號更好，信噪比也優(yōu)于其他光源，所以現(xiàn)在大多數(shù)可穿戴設(shè)備都采用綠光作為光源。但考慮到皮膚狀況(膚色和汗液)的需要，高端市場產(chǎn)品會根據(jù)情況自動使用綠光、紅光等光源。真相是什么樣的？收集到的數(shù)據(jù)可以驗證上述理論！

PPG信號的產(chǎn)生！

右邊是一個完整的周期PPG信號，圖中光能的曲線與心臟活動的變化一致。其中，初始上升階段是指血流在心臟血泵壓力的動力下繼續(xù)流動，毛細(xì)血管中的血液流量減少，對光能的吸收減少，光能增加。之后，血液不斷向末梢關(guān)鍵靜脈推進(jìn)，遇到障礙。此時，一部分靜脈反射血液也流入毛細(xì)血管，導(dǎo)致血流量增加，光能吸收增加，光能減少。在光能下降過程中，出現(xiàn)短期再出血，這是由于血液沿人體外周血管快速流動，體積減小。最后，心臟的血液噴射結(jié)束，進(jìn)入舒張期，開始新的循環(huán)。

心率估計和監(jiān)測對于確定一個人的生理和心理狀態(tài)非常重要。傳統(tǒng)的測量心率的方法都是接觸式的，比如電極心電圖。通過電極片感應(yīng)人體的心臟電流來測量心率。在智能手表或手環(huán)等可穿戴設(shè)備上，光電容積脈搏波(PPG)是最常用的測量方法，但也需要與皮膚緊密接觸。接觸測量法雖然更為精確，但難免會帶來很多不適和不便，尤其是在一些特殊場景下，接觸測量法無法使用。