智能手环计算心率的算法程序

 

现有智能设备的研究主要涉及心率这个生理参数，导致了很多智能硬件设备很难兼顾多种生理参数，对于生理指标的测量往往过于单一。这种情况正在随着硬件性能的提升逐步得到改善。

 

 

心率监测的方法常见的有两种：心动电流测量法和光电透射测量法。

 

心动电流测量法！在医院中测量心电图时经常会看到，通过测量人体不同点的电势变化，从而测量出心率变化，该方法测量精准，但必须同时监测人体的两个部位，而我们平时用手机和手表的时候都是单手接触产品，所以无法做到持续监测。

 

光电透射测量法！可穿戴设备上一般都采用这个，它是一种通过光反射测量的光电心率传感器以及利用人体不同部位电势测量的电极式心率传感器。特点是准确度欠佳，优势在于体积小。

 

2020年，很多手环具备ECG+PPG相结合的心率测量方法！这样的测量方式会使得测量结果更加准确！

 

除了心率数据，华为手环已经能监测血氧饱和度、压力、睡眠等多项数据。当血氧饱和度过低时，人体会疲惫、嗜睡，影响工作状态，而华为手环还能实时监测血氧饱和度含量，帮助我们适时调整状态。常见的智能运动手表的心率监测实际上都是PPG方式，这种监测方式更快但是容错率也很高；而智能心率带则不一样，它的监测方式采用的是ECG，这种操作方式简单来讲就是将心率带围绕胸部固定，心率带内侧的电极片会捕捉心脏跳动时在皮肤表面引起的微小电学变化，这些小变化会被发送至心率表通过算法转化为当前我们看到的心率。

 

健康知识提升：有氧运动黄金心率一般在每分钟120次到160次，都是属于正常的范围。人在安静的状态下心率一般在每分钟60次到100次，在运动的时候会出现心率加快。有氧运动属于比较健康的运动方法，能够起到增强体质以及免疫力的功效，并且也能够起到减肥的作用。有氧运动主要包括慢跑或者是快走以及爬山等等，可以每天坚持进行锻炼。静止、慢走、慢跑、快走、爬山模式可以通过加速度传感器的数据来判别！

 

ECG是通过生物电来进行检测，人体的组织和细胞在生命活动过程中会发生电位和极性变化，这些电变化统称为生物电。ECG是英文Electrocardiogram的缩写，ECG的中文意思是心电图。心脏生物电即是生物电的一种，心脏在每次跳动中，都伴随着生物电的变化，通过米动健康手环捕捉心脏发出的电信号， 经过数字化信号处理后，就能输出准确、详细的心脏健康信息。PPG指的是光电容积脉搏波描记法，简称PPG。监测心率的原理很简单：血液是红色的，反射红光，吸收绿光。两者相结合能够更为准确的进行监测和显示。

 

了解一些简单的原理！涨知识！

 

当然这些对于信号处理是有帮助的！因为信号处理中的一个重要步骤就是特征处理，了解了原理，才能更加准确的把握数据的特性！先看传感器涉及的原理知识！

 

人体组织包含血液、皮肤、骨骼等。当固定波长的光束穿过人体组织时，血液会吸收部分光能。在一个脉搏周期内，由于心肌的收缩扩张活动，脉管的压力发生周期性的变化，脉管中的血容量也会发生周期的变化，当心肌收缩时，血容量变大，吸光物质变多，返回的光能变弱，舒张时期血容量变小，吸光物质变多，返回的光能变强。利用光电传感器接收返回的光能，会发现光能的变化和心脏活动变化一致。这种接收的光就是光电容积脉搏波。光分为红光和绿光两种！

 

检测光强的传感器除了接收到我们所发出的光线反射光，也会接收到环境光的反射光。

 

如果我们用绿光结合检测绿光的传感器，环境光中的绿色成分基本被人体吸收的差不多了，反射到传感器上的基本可以忽略。如果换成红光（红外光），由于人体对红光（红外光）吸收较少，环境光的红色（红外）成分还是会有部分反射到传感器，从而对于有效信号形成干扰。所以用绿光比用红光抗环境光影响的能力要好。手环里面的CPU会接收到这两种光的测量值，算法会根据这些值来计算出心率！选择绿光作为光源还有其他原因。比如皮肤中的黑色素可以吸收大或短波长的波；皮肤上的水分也会吸收很多紫外线和红外线波段的光，紫外线是紫外线，红外线是红外线。大部分进入皮肤组织的绿光(500nm)-黄光(600nm)会被红细胞吸收。与其他波长的光相比，红光和接近IR的光更容易透过皮肤组织；血液比其他组织吸收更多的光；与红光相比，绿色(绿-黄)光能被氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收。一般来说，青红光可以作为测量光源。大多数早期的设备使用红光作为光源。经过进一步的研究和比较，绿光作为光源获得的信号更好，信噪比也优于其他光源，所以现在大多数可穿戴设备都采用绿光作为光源。但考虑到皮肤状况(肤色和汗液)的需要，高端市场产品会根据情况自动使用绿光、红光等光源。真相是什么样的？收集到的数据可以验证上述理论！

PPG信号的产生！

右边是一个完整的周期PPG信号，图中光能的曲线与心脏活动的变化一致。其中，初始上升阶段是指血流在心脏血泵压力的动力下继续流动，毛细血管中的血液流量减少，对光能的吸收减少，光能增加。之后，血液不断向末梢关键静脉推进，遇到障碍。此时，一部分静脉反射血液也流入毛细血管，导致血流量增加，光能吸收增加，光能减少。在光能下降过程中，出现短期再出血，这是由于血液沿人体外周血管快速流动，体积减小。最后，心脏的血液喷射结束，进入舒张期，开始新的循环。

心率估计和监测对于确定一个人的生理和心理状态非常重要。传统的测量心率的方法都是接触式的，比如电极心电图。通过电极片感应人体的心脏电流来测量心率。在智能手表或手环等可穿戴设备上，光电容积脉搏波(PPG)是最常用的测量方法，但也需要与皮肤紧密接触。接触测量法虽然更为精确，但难免会带来很多不适和不便，尤其是在一些特殊场景下，接触测量法无法使用。