Apple Watch採用的光電式心率測量技術面臨的5個問題 精選

從第一代Apple Watch開始，就已經有了監測用户心率的功能，在這項功能上，蘋果採用了光電式測量技術。
不僅是蘋果，絕大多數智能手錶和手環都是採用這一技術，但通常都是非醫療級別的產品，只能是作為一種參考數據。在心率測量上，還有另一種方式－－電極式，大多數心電圖儀等能達到醫療器械級別的產品會採取這種技術。採取光電式主要通過光反射來測量心率：它是根據心臟跳動時，人體全身血管會有微小波動的原理，射出一束光到人的手腕上，並用攝像頭觀察反射的陰影。如果其中有微小變化，則認為心臟跳動一次。

與電極式測量相比，光電式測量可以單手操作，不需要像電極式方式那樣需兩個觸點也即雙手來檢測數據，這樣可以實現主動讀取數據和遠程讀取數據，更適合於配合雲端大數據的服務。這也是它被廣泛應用於可穿戴設備上的原因。
看似受追捧的技術，實則面臨着許多問題。

主要問題

在活動中利用光電式測量心率必須克服五個對準確性產生影響的基礎性問題：

• 1、光線干擾
• 2、膚色
• 3、交叉問題
• 4、傳感器在人體上的位置
• 5、低灌注

下面我們來具體看一下這五個方面的具體問題。
光線干擾

事實上，光電式心率測量設備最大的技術障礙是如何將生物特徵信號從干擾中分離出來，特別是運動干擾。不幸的是，當把光線射入一個人的皮膚時，只有一小部分光量子返回給傳感器，並且收集的所有光量子，只有百分之一或千分之一是由心臟收縮的血流量調節的，剩下的都分散在非搏動性生理物質上，例如皮膚、肌肉、肌腱等等。因此，當這些非搏動性生理物質四處移動，比如在鍛鍊或者日常生活活動中，由此導致的光線隨着時間變化運動躁動分散是很難從光線隨着真實血流量的分散中區分出來的。周圍光線干擾還加劇這個問題的嚴重性，比如隨着時間的變化，太陽光的干擾可以完全滲透到光電探測器中，甚至創造出近似生理性質的脈動信號。

膚色
人類擁有非常多種不同的漂亮膚色，多到以至於菲氏量表為膚色數值分類和對紫外線的反應而提供了7個類型的標準。不同的膚色對光的吸收是不同的，因此每一種膚色的特點在於都有不同的吸光圖譜。那麼，這意味着光電式心率測量設備傳感器捕獲的光的強度和波長是取決於穿戴傳感器的人的膚色的。例如，深色皮膚吸收綠色光較多，這也表明了為什麼大多數設備採用綠色LED作為光線發射器，限制了透過深色皮膚準確測量心率的能力的問題。這同樣暴露出透過紋身的皮膚測量心率的問題，這也是蘋果被人們詬病的“紋身門”，手腕有紋身的Apple Watch用户發現顯示屏上的數據顯示非常微弱，甚至沒有。

交叉問題

光電式心率監測器存在由於週期性活動期間的運動而產生的交叉干擾方面的問題，這個問題面臨的最大的挑戰是這種活動帶來持續性的相同重複的動作。這點在記錄慢跑和跑步期間的步伐頻率時最常見，因為這些數據通常與心跳頻率（140-180下／步數每分鐘）處於同一個基本區間裏。許多光電式心率監測設備面臨的這個問題使得運算法則很容易將通過光電監測數據錄入的步伐速率錯誤解讀成心率。這就是為人所知的“交叉問題”，因為在圖表上查看這些數據時，當心率和步伐速率發生重疊，許多光電式心率監測設備傾向於鎖定步伐速率並將其顯示為心率，儘管心率可能會在重疊後發生巨大改變。這個交叉干擾的問題在Apple Watch上體現很明顯。

和其他腕部的光電式心率測量設備技術相比，很明顯Apple Watch在“交叉”時顯示的心率監測失敗，標籤1到4人的步伐速率和心率相似，蘋果的數字信號不能將它們區分開來。第2處交叉有超過兩分鐘把心率讀成了步伐速率。

傳感器在人體上的位置
設備在人體上使用時面臨的獨有的挑戰是位置的不同會導致測量數據產生顯著的區別。最主要集中在三個部位：

1、耳朵－－在音頻耳塞裏

2、胳膊－－在上臂臂章上部或者下臂上

3、手腕－－在智能手錶或者運動追蹤器上

事實表明，腕部是最不能做到精確測量的部位之一。因為這個區域（肌肉、肌腱、骨頭等等）會產生更高的光線干擾，並且血管結構有高度的變異性。前臂部位被認為是更好的選擇，因為在那裏的皮膚表面有更高的血管密度。然而，對於光電式心率監測設備來説，耳朵是至今為止被認為最佳的部位。因為那裏只有軟骨和毛細血管，即使身體在運動也不會移動太多，因此大大減少了必須被過濾的光線的干擾。特別是，密集的動脈集合存在於抗耳屏耳和外耳之間。

上圖表明生物識別耳機和胸帶都能很好的排列，而腕部的光電式心率測量設備則做不到。

低灌注

灌注是身體將血液運送到毛細血管床的過程。在膚色上，不同種族之間灌注的水平是有極大差別的，像肥胖、糖尿病、心臟疾病和動脈疾病等問題都會降低血液灌注水平。低水平灌注，特別是在四肢上，會對光電式心率監測設備形成挑戰，因為信號和干擾的比率可能會大幅降低，低水平灌注和低水平的血流信號是相關聯的。不幸的是，低水平灌注在當今社會太常見了。所以，這也是一個很大的問題。幸運的是，在大多數由於低水平灌注導致光電式心率監測設備失敗的案例中，心臟信號會在幾分鐘的熱身後重新恢復，即開始動脈血流流入毛細血管和小動脈的新循環。
總結

以上這五個挑戰是大多數光電式心率監測設備所面臨的，當然和傳感器相關的問題例如電池壽命不包含在本次的討論之中，但是也是值得注意的。還好，這些問題已經引起了研發者們的注意。


資料來源：雷鋒網
作者/編輯：馬秋爽