幾種主流可穿戴心率監(jiān)測方案的分析與比較

心率統(tǒng)計的基本原理?

人類為什么對心率統(tǒng)計這種東西感興趣?并且可穿戴設備制造商也以此為賣點做宣傳，難道是看到自己每分鐘心跳次數(shù)就會高 潮?實際情況當然并非如此，心率數(shù)據(jù)可以反映的事情很多，比如睡眠情況、運動時所處狀態(tài)，甚至內心的情緒波動。這是可穿戴設備尋求心率統(tǒng)計的原因。

常見的心率計有兩種原理：一種是諧振式一種是光電式。諧振式是感應壓力的變化從而測量脈搏，光電式是利用了血液對近紅外光線吸收的特點。而手機攝像頭測量脈搏和光電式的原理很像。血液也會吸收可見光。當心臟擠壓，血管中血液流量增加的時候，更多的可見光被吸收，攝像頭會拍攝出較暗的畫面;當心臟放松，血管中血液流量減少時，可見光被吸收的較少，攝像頭里采集的圖像也會變得更鮮紅。交替的明暗變化通過App處理后就變成脈搏次數(shù)了。

Apple Watch如何做心率檢測?

2015年，AppleWatch的正式上市極大地刺激整個智能可穿戴設備市場規(guī)模的增加，銷量達到1,390萬只，占智能腕帶設備市場份額58.3%，市場規(guī)模將會達到1356億元人民幣?；贏ndroid Wear的智能手表銷量為400萬只，市場份額為17.4%。預計在2017年，市場規(guī)模穩(wěn)定上升，市場規(guī)模依然會超過300億元人民幣。

蘋果官方近日公布了其內置心率傳感器的工作原理。蘋果的技術支持文檔顯示，Apple Watch的心率測量周期是每10分鐘測量一次，并將數(shù)據(jù)存儲在健康App中。這些檢測信息，再結合收集到的其他數(shù)據(jù)，計算佩戴者的卡路里消耗量。

在心率傳感器上，Apple Watch采用的是光體積描記器(PPG)，原理如下：

血液之所以呈現(xiàn)紅色，是因為它反射紅光并吸收綠光。Apple Watch使用綠色LED燈，配合對光敏感的感光器，可以檢測任意時間點流經(jīng)手腕的血液流量。

心臟跳動時，流經(jīng)手腕的血液會增加，吸收的綠光也會增加;心跳間隔期，流經(jīng)手腕的血液會減少，吸收的綠光也會隨之減少。Apple Watch內置的兩顆綠色LED燈可以每秒閃動數(shù)百次，從而計算出每分鐘的心跳次數(shù)，也就是心率。

上面講到的利用綠光LED的光體積描記器測量心率更像是一種備選方案，因為在十分鐘測量一次心率的周期里，Apple Watch 利用的是紅外線。但在“紅外線測量無法讀取足夠的數(shù)據(jù)時，Apple Watch會切換至綠色LED。”

此外，為了應對對心率信號進行補償，避免信號過弱影響讀數(shù)，蘋果表示對心率傳感器進行了針對性的設計，比如提高LED亮度和采樣率。

除了上面這些技術層面的手段外，蘋果在文檔中也特別指明，不恰當?shù)呐宕鞣绞揭矔绊懶穆实牟蓸雍蜏蚀_性。

實際上，除了上面談到的佩戴方式對心率測量的影響外，很多外部的因素也需要考慮在內。比如文檔中講到的皮膚血流量。很多人尤其是男性，都會注意到在夏天比較熱的時候，手臂上的血管會猙獰地鼓起，血量很足，而在冬天天氣寒冷的室外，手臂上的血管就不會凸起得那么突兀了，這時候流經(jīng)手臂的血液量也會少一些，甚至會低到心率傳感器無法讀取數(shù)值。

蘋果在文檔最后講到，在“節(jié)率運動”和“無規(guī)律運動”中，心率測量的準確性可能會存在差異。其實可以簡單地理解為無氧運動如乒乓球、拳擊和有氧運動如跑步、騎車這兩類運動中，后者的心率測量會相對準確一些。

監(jiān)測心率只是測量和計算運動量的一個手段，Apple Watch 還會結合加速度計、GPS 等其他傳感器來計算運動和鍛煉情況。

可穿戴心率檢測的幾大技術難點?

當前可穿戴設備的一個技術難點就是數(shù)據(jù)監(jiān)測的準確性差，因此，高精度檢測算法在可穿戴設備整體解決方案中的地位亦顯得舉足輕重。硬件PCBA材料和尺寸、功耗、性能、成本的兼顧，使得傳感器等關鍵器件、高精度算法、數(shù)據(jù)平臺等成為可穿戴電子產品設計的難點。尤其在智能腕表的硬件尺寸方面有較高的要求，一定要小而緊湊，另外很多個性化的設計方案中要求使用柔性材料可以方便其外觀的擴展設計。

玉成的心率檢測方案使用ADI的加速度傳感器以及TI2541或NordicBLE51822的藍牙模塊，算法可擴展性強。主要通過算法的優(yōu)化，監(jiān)測在各種運動狀態(tài)下，例如慢走、快走、慢跑、快跑、爬樓梯、打羽毛球等心跳頻率，實現(xiàn)在運動狀態(tài)下HRV(心率變異性)的動態(tài)監(jiān)控。另外還有睡眠監(jiān)測的模式可以讓MCU處于休眠狀態(tài)，以達到省電的目的。其他的功能如血氧、血壓的監(jiān)測功能實現(xiàn)當前都在開發(fā)中。

另一個技術難點是精準，采用玉成研發(fā)的運動心率解決方案在靜態(tài)與醫(yī)用心率測試儀對比，精確達到醫(yī)療設備級別，本產品的該項性能，將在今后一個較長時期內保持技術領先優(yōu)勢。

除了靜態(tài)檢測，動態(tài)心率的監(jiān)測適配各種運動場景的切換做法，也是關鍵技術之一。在運動狀態(tài)下，玉成的運動心率解決方案能適應各種運動狀態(tài)下的心率測試。目前玉成已經(jīng)取得了兩項關鍵技術的專利授權。

可穿戴心率方案哪家強?

目前市面上擁有自己的可穿戴心率方案技術的廠商主要有小米、37度、原相、Fitbit、apple、MIO邁歐、玉成等。玉成作為第三方設計公司，掌握了包括傳感器、模擬前端、算法、硬件設計、手表結構在內的全產業(yè)鏈技術。

與MIO邁歐方案的主要參數(shù)對比

與MI0的測試數(shù)據(jù)對比

與PORLAR心率帶的對比

與POLAR心率帶的測試數(shù)據(jù)對比