目前市面上存在的可穿戴智能設備大多只能測量心率、步數(shù)等指標，對于血壓、血氧飽和度、呼吸率等指標沒有關(guān)注。隨著技術(shù)的發(fā)展，很多傳感器的價格會逐漸下降，后面手環(huán)和手表的價格會越來越便宜，功能也會越來越強大！本文內(nèi)容較多，完全可以作為本科畢業(yè)設計論文的參考資料。希望大家能夠耐心的看完內(nèi)容，對應的程序內(nèi)容稍后會給出！之前講了計步功能的算法程序和C程序，本篇開始講解計算心率的算法程序！

現(xiàn)有智能設備的研究主要涉及心率這個生理參數(shù)，導致了很多智能硬件設備很難兼顧多種生理參數(shù)，對于生理指標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，但必須同時監(jiān)測人體的兩個部位，而我們平時用手機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是通過生物電來進行檢測，人體的組織和細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，就能輸出準確、詳細的心臟健康信息。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)合能夠更為準確的進行監(jiān)測和顯示。

了解一些簡單的原理！漲知識！

當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。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！

之所以選擇綠光作為光源還有其他的原因。比如皮膚的黑色素會吸收大是波長較短的波；皮膚上的水份也會吸收大量的UV和IR頻段的光，UV是紫外線，IR是紅外線；進入皮膚組織的綠光(500nm)—黃光(600nm)大部分會被紅細胞吸收；紅光和接近IR的光相比其他波長的光更容易穿過皮膚組織；血液要比其他組織吸收更多的光；相比紅光，綠(綠-黃)光能被氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收。總體來說，綠光-紅光能作為測量光源。早期設備多數(shù)采用紅光為光源，隨著進一步的研究和對比，綠光作為光源得到的信號更好，信噪比也比其他光源好些，所以現(xiàn)在大部分穿戴設備采用綠光為光源。但是考慮到皮膚情況的不用(膚色、汗水辦高端市品會根據(jù)情況自動使用換綠光，紅光等其他多種光源。事實是什么樣子呢？采集到的數(shù)據(jù)可以驗證上述理論！

PPG信號的產(chǎn)生！

右邊是一個完整周期的PPG信號，圖中光能的變化曲線與心臟活動變化是一致的。其中，開始的上升階段表示血流在心血泵壓的動力下持續(xù)流動，毛細血管中的血流量下降，對光能吸收減少，光能上升。之后血液不斷推進至末端重點靜脈處遇到阻礙，此時一部分靜脈反射血液也流入毛細血管中，導致血流增加，對光能吸收增加，光能下降。在光能下降的過程中，出現(xiàn)了一段短暫的重搏，這是因為血流順著人體外周脈管急速流動，容量減小。最終，心臟射血結(jié)束，進入舒張期，開始新一輪的循環(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，如電極式心電圖。通過電極片感應人體的心動電流來測量心率。在可穿戴設備如智能手表或者手環(huán)上，最常用的是利用光電容積脈搏波（PPG）來進行測量，但同樣需要緊密接觸皮膚。接觸式的測量方式雖然較為準確，但必然會帶來很多不適與不便，尤其在某些特殊的場景下，無法使用接觸式的測量方式。

責任編輯：haq