可穿戴产品中哪种心率监测方法最流行?

2015-10-19 18:21:12来源: 《电子技术设计》
    心率是衡量运动效果,控制运动量的最有效标准。在心率监测领域,最准确的应该是心率带,但在现在这个“颜值”社会中,又便宜又准确的心率带已out,取而代之的是各类手环和手表。

  手环/腕带相对来说更小巧容易佩戴且价格适中,而运动手表往往集成GPS、心率传感器、训练模式等丰富的功能,当然价格也是所有心率设备中最为昂贵的。

  抛开心率监测的外形不谈,这类电子产品因为跟医学相关,本文是以普及性的非医学专业人士的语言来解释测试的原理与方法

  四种成熟的心率监测方法

  从事可穿戴医疗器械研究和开发的电子工程PhD王法,与大家分享了目前成熟的心率无创测量手段:血氧法,光电容积法,心电信号法,和动脉压力法。

  (1) 血氧法。

  如果大家读书时候做过台阶测试(一种心肺功能的体锻测试)的话,那么一定对这种心率测试方法不陌生。那种夹在食指尖的心率测试仪就是采用这种方案。

  一般来讲,完整的血氧饱和度仪往往有2种发光二极管,一种波长660nm,是可见光的红光,一种波长900多nm,是红外线。血管中携氧的血红蛋白和不携带氧的血红蛋白,对两种光的吸收率是不同的。如下图。

  同时,血管中的氧含量,是有消耗——心脏泵血增加——再消耗这样的周期过程的。这个周期刚好与心率是一致的。

  

  血氧法的优势是提供心率和血氧饱和度两种信号。劣势是由于需要在另一端接受透射光信号,那么这部分人体组织就必须足够薄才行,全身上下合适的位置就只有指尖和耳垂。手腕太厚了,可见光根本无法穿透,使用范围比较受限制。

  所以很多运动腕表都没有采用这个方案。

  (2)光电体积法。

  这种方案是追踪可见光(绿光)在人体组织中的反射。通常是有两个绿色LED向手腕发出可见光,然后中间有个光电传感器感应反射光。如下:

  人体的皮肤,骨骼,肉,脂肪等对光的反射是固定值,而毛细血管和动脉静脉由于随着脉搏容积不停变大变小,所以对光的反射是波动值。这个波动的频率就是脉搏,一般也跟心率是一致的。

  这种方法只能得到心率信号,但是相对对运动带来的噪声抵抗力比较强,很适合目前的运动腕表。

  至于精度,除了apple watch以外,其他几家都是用的同一款飞利浦的专利传感器。。。。。。

  唯一能做的花头无非就是加速度仪去补偿运动噪声的算法不同,从我经验出发,应该都大同小异。

  至于用绿光的原因——不是因为血液是红的,所以用绿光,真正原因是绿光对外界温度变化造成的信号漂移是最小的。

  (3)心电信号法。

  窦房结有节律地控制心脏收缩舒张从而向躯干泵血。这个控制信号是一个电信号(人体神经信号在神经上都表现为电信号),会逐渐扩散到体表,可以在皮肤通过电极测量。大家去医院一般用的心电仪就是采用这个原理。这个节奏就是心率,除此之外,心电信号还可以为医生诊断提供很多参考信息。

  目前市面上最精确的可穿戴心率测量仪器,心率带,也是采用这个方法。

  但是由于心电信号的波长非常长,为了测得足够精度的信号,信号电极和参考电极就必须在躯干空间上隔得足够远。一般是胸上比较远得两点,或者左手和右手,或者手和脚等。腕表就比较难采用这个方案,除非有人愿意同时带两个表。

    (4) 动脉血压法。

  这其实是最古老的方法,中医的诊脉。

  在手腕或者颈部两侧,都可以经皮肤摸到动脉的压力有规律地涨落。通过压力传感器可以将这个信号变成心率。

  这个方案也是目前商用最不成熟的,原因一是压力传感器需要长期对穿戴者的动脉半压迫,有不适感;二是压力传感器难以以合适的方式固定在皮肤表面:固定地太紧会导致血流不畅,固定地太松又无法实现测量。这个问题在运动腕表设计中表现得格外明显。

  所以该方法一般只在医院中对手术中手术后的静息病人使用。

  一句话描述心率监测的四种方法

  如果这么多字看的累,那么网友MikeWay用更精炼的语言描述了目前心率监测的主要手段:声,光,电,压四种——后三者与王法描述的相同。

  1.声。 通常是利用超声多普勒原理来检查心脏的搏动,常见的胎心仪就是这一原理。

  2.光。 利用光透射或反射血管内流动的血液(脉搏)来检测脉率,通常情况下是等于心率的。目前绝大部分手环都是这一原理来检测心率。

  3.电。 就是大家通常说的ECG信号,它是有人体心脏搏动而产生的毫伏级电信号,大家看到体检的心电图,心率带等至少需要两个以上电极的设备都属于这种检测原理。

  4.压。 通常使用一个压力传感器来检测脉博搏动的微弱压力信号来检测脉率,有极少手环使用,主要在血压检测中计算血压和脉率。

关键字:产品  心率  方法

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2015/1019/article_6118.html
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