一、前言

浅谈：心率表的监测原理

Apple Watch

测心率的手表，正如其名字本身，这款手表可以在佩戴时测量佩戴者的心率数据。

基础的心率表只提供：心率监测功能。

高级的心率表可提供：GPS测量距离配速、NFC公交门禁、支付宝、微信、来电提醒、音乐播放、通话，等一系列运动、生活功能。

很多厂商（比如Apple、Garmin、Polar），针对心脏科学的研究，也提供了一系列基于连续心率监测的运动能力评估、运动后恢复评估等、高级评估算法。

二、监测原理

浅谈：心率表的监测原理

Apple Watch Ultra PPG 心率传感器

市售常见的心率表通常采用PPG光电传感器，通过读取皮下血流，结合算法进行心率测算。

所谓的PPG，即英文单词Photoplethysmography的简称，翻译成中文是：光电容积脉搏的含义，指的是在无创的前提下，借光电传感器，在活体组织中监测血液容积变化的一种方法。

人体皮肤下，含有丰富的血管。伴随每次心跳，血液会通过血管流动。血液流动过程中。用一定波长的光束照射到肢体皮肤表面，每次心跳时，血管的收缩和扩张都会影响照射光线的透射或是光的反射。

浅谈：心率表的监测原理

PPG测量原理

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，这种衰减只受到血流影响最明显，身体其他组织对光照往复的影响很小，可忽略，故而可以用光经过身体往复过程产生的衰减进行度量脉搏变化。

传感器把往复的光转换成电信号时，动脉对光的吸收有变化，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。

上述复杂的原理过程，可以简化理解为：“光信号 转化 电信号 转化 数字信号” 。

注：PPG在工作过程中，信号也存在一些干扰因素，影响其测量精度：

光学噪声：运动过程周围环境光线产生的光学噪声，影响监测效果。
肤色吸收率：PPG传感器中光电二极管（PD）采集到的信号强度和用户的肤色直接相关。
运动干扰：运动也会干扰光学系统，光学心率检测器非运动状态的睡眠研究时，这可能不是问题，但如果在活动期间穿戴，则将很难消除运动伪像，心率传感器和皮肤之间因为运动产生的相对移动，也会降低光信号的灵敏度。
运动的频率（比如跑步中的步频）也可能会被误判为心率。因此，必须测量该运动并进行补偿。设备与人体之间相贴越紧密，这种影响就越小，但采用机械方式消除这种影响几乎不可能。通常可使用多种方法来测量运动的干扰，其中一种是光学方法，即使用多个LED波长。共模信号表示运动，而差分信号用来检测心率。不过，最好是使用真正的运动传感器，它不仅可准确测量应用于可穿戴设备的运动，而且还可用于提供其他功能，例如跟踪活动、计算步数或者在检测到特定G值时启动某个应用。