几种主流可穿戴心率监测方案的分析与比较

摘要：常见的心率计有两种原理：一种是谐振式一种是光电式。

心率统计的基本原理？

人类为什么对心率统计这种东西感兴趣？并且可穿戴设备制造商也以此为卖点做宣传，难道是看到自己每分钟心跳次数就会高 潮？实际情况当然并非如此，心率数据可以反映的事情很多，比如睡眠情况、运动时所处状态，甚至内心的情绪波动。这是可穿戴设备寻求心率统计的原因。

常见的心率计有两种原理：一种是谐振式一种是光电式。谐振式是感应压力的变化从而测量脉搏，光电式是利用了血液对近红外光线吸收的特点。而手机摄像头测量脉搏和光电式的原理很像。血液也会吸收可见光。当心脏挤压，血管中血液流量增加的时候，更多的可见光被吸收，摄像头会拍摄出较暗的画面；当心脏放松，血管中血液流量减少时，可见光被吸收的较少，摄像头里采集的图像也会变得更鲜红。交替的明暗变化通过App处理后就变成脉搏次数了。

Apple Watch如何做心率检测？

2015年，AppleWatch的正式上市极大地刺激整个智能可穿戴设备市场规模的增加，销量达到1,390万只，占智能腕带设备市场份额58.3%，市场规模将会达到1356亿元人民币。基于Android Wear的智能手表销量为400万只，市场份额为17.4%。预计在2017年，市场规模稳定上升，市场规模依然会超过300亿元人民币。

苹果官方近日公布了其内置心率传感器的工作原理。苹果的技术支持文档显示，Apple Watch的心率测量周期是每10分钟测量一次，并将数据存储在健康App中。这些检测信息，再结合收集到的其他数据，计算佩戴者的卡路里消耗量。

在心率传感器上，Apple Watch采用的是光体积描记器（PPG），原理如下：

血液之所以呈现红色，是因为它反射红光并吸收绿光。Apple Watch使用绿色LED灯，配合对光敏感的感光器，可以检测任意时间点流经手腕的血液流量。

心脏跳动时，流经手腕的血液会增加，吸收的绿光也会增加；心跳间隔期，流经手腕的血液会减少，吸收的绿光也会随之减少。Apple Watch内置的两颗绿色LED灯可以每秒闪动数百次，从而计算出每分钟的心跳次数，也就是心率。

上面讲到的利用绿光LED的光体积描记器测量心率更像是一种备选方案，因为在十分钟测量一次心率的周期里，Apple Watch 利用的是红外线。但在“红外线测量无法读取足够的数据时，Apple Watch会切换至绿色LED。”

此外，为了应对对心率信号进行补偿，避免信号过弱影响读数，苹果表示对心率传感器进行了针对性的设计，比如提高LED亮度和采样率。

除了上面这些技术层面的手段外，苹果在文档中也特别指明，不恰当的佩戴方式也会影响心率的采样和准确性。

实际上，除了上面谈到的佩戴方式对心率测量的影响外，很多外部的因素也需要考虑在内。比如文档中讲到的皮肤血流量。很多人尤其是男性，都会注意到在夏天比较热的时候，手臂上的血管会狰狞地鼓起，血量很足，而在冬天天气寒冷的室外，手臂上的血管就不会凸起得那么突兀了，这时候流经手臂的血液量也会少一些，甚至会低到心率传感器无法读取数值。

苹果在文档最后讲到，在“节率运动”和“无规律运动”中，心率测量的准确性可能会存在差异。其实可以简单地理解为无氧运动如乒乓球、拳击和有氧运动如跑步、骑车这两类运动中，后者的心率测量会相对准确一些。

监测心率只是测量和计算运动量的一个手段，Apple Watch 还会结合加速度计、GPS 等其他传感器来计算运动和锻炼情况。

可穿戴心率检测的几大技术难点？

当前可穿戴设备的一个技术难点就是数据监测的准确性差，因此，高精度检测算法在可穿戴设备整体解决方案中的地位亦显得举足轻重。硬件PCBA材料和尺寸、功耗、性能、成本的兼顾，使得传感器等关键器件、高精度算法、数据平台等成为可穿戴电子产品设计的难点。尤其在智能腕表的硬件尺寸方面有较高的要求，一定要小而紧凑，另外很多个性化的设计方案中要求使用柔性材料可以方便其外观的扩展设计。

玉成的心率检测方案使用ADI的加速度传感器以及TI2541或NordicBLE51822的蓝牙模块，算法可扩展性强。主要通过算法的优化，监测在各种运动状态下，例如慢走、快走、慢跑、快跑、爬楼梯、打羽毛球等心跳频率，实现在运动状态下HRV(心率变异性)的动态监控。另外还有睡眠监测的模式可以让MCU处于休眠状态，以达到省电的目的。其他的功能如血氧、血压的监测功能实现当前都在开发中。

另一个技术难点是精准，采用玉成研发的运动心率解决方案在静态与医用心率测试仪对比，精确达到医疗设备级别，本产品的该项性能，将在今后一个较长时期内保持技术领先优势。

除了静态检测，动态心率的监测适配各种运动场景的切换做法，也是关键技术之一。在运动状态下，玉成的运动心率解决方案能适应各种运动状态下的心率测试。目前玉成已经取得了两项关键技术的专利授权。

可穿戴心率方案哪家强？

目前市面上拥有自己的可穿戴心率方案技术的厂商主要有小米、37度、原相、Fitbit、apple、MIO迈欧、玉成等。玉成作为第三方设计公司，掌握了包括传感器、模拟前端、算法、硬件设计、手表结构在内的全产业链技术。

与MIO迈欧方案的主要参数对比

与MI0的测试数据对比

与PORLAR心率带的对比

与POLAR心率带的测试数据对比

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《电子技术设计》2016年5月刊版权所有，谢绝转载。