手表测量心率的原理

手表测量心率的原理

引用

CSDN

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https://blog.csdn.net/weixin_42869226/article/details/140690186

智能手表如何准确测量我们的心率？这背后涉及一项名为光电容积脉搏波描记法（PPG）的光学技术。本文将为您详细解析手表测量心率的原理、PPG波形特征以及实际应用中可能遇到的技术难点。

心率

心率的定义比较简单，即心脏每分钟跳动的次数，在英语中常用 bpm（beats per minute）作为心率的单位。

手表如何测量心率

对于正常人（房颤时则不是），心跳和脉搏相对应，一次心跳对应一次脉搏。所以我们通常通过扣触手腕处的脉搏的跳动便能知道心率。那手表又是如何测量的呢？是不是手表上有个压力传感器，采集脉搏跳动时的不同压力来计算脉搏？

手表上通过光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography） 来测量心率的，简称PPG, 这是一种血流检测的光学技术。

当一定波长的光束照射到指端皮肤表面，每次心跳时，血管的收缩和扩张都会影响光的反射。当光线透过皮肤组织然后再反射到光敏传感器时，光照会有一定的衰减。像肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织对光的吸收是基本不变的 (前提是测量部位没有大幅度的运动)，但是动脉会不同，由于动脉里有血液的脉动，那么对光的吸收自然也会有所变化。当我们把光转换成电信号时，正是由于动脉对光的吸收有变化而其他组织对光的吸收基本不变，得到的信号就可以分为直流DC信号和交流AC信号。提取其中的AC信号，就能反应出血液流动的特点。

PPG波形

1. 心脏收缩期：当心脏收缩时，血液被泵入动脉，导致测量部位的血液量迅速增加。这一过程在PPG波形上表现为波形的上升沿。
2. 心脏舒张期：当心脏处于舒张状态时，动脉中的血液量逐渐减少，直到下一个心跳到来之前。在PPG波形中，这表现为波形的下降沿。
3. 周期性变化：由于心脏的周期性收缩和舒张，PPG波形呈现出周期性的变化，每个周期对应一次完整的心脏跳动。

计算心率

我们把血液流动对光吸收转变成了AC信号，如果对于进行FFT变换，那么就能看到频域的特点。如下图就是对PPG信号的FFT转变

上图中的频域图，0Hz的信号很强，这部分是骨骼、肌肉等组织的DC信号，在1Hz附近有个相对比较突出的信号就是血液流动转变的AC信号。假设测得到的频率f = 1.2Hz

那么心率HeartRate HR = f x60 = 1.2 x 60 = 72

技术难点

运动干扰:在剧烈运动或运动干扰下，皮肤表面的动态变化可能影响PPG传感器的准确性，导致心率数据不稳定。

皮肤类型差异:不同人群的皮肤类型（如色素含量、皮肤厚度等）可能影响PPG传感器的信号质量和准确性。

环境光影响:强光或光线不足的环境条件可能干扰PPG传感器的光学读数，影响心率测量的准确性。