光学心率传感器的测量原理

随着生活节奏的加快，工作压力的加大，越来越多的人开始注重健身，如此一来，可穿戴健身追踪设备就变得很流行。如果仔细观察，会发现身边已经有很多朋友开始使用这类设备，或用于健身或用于减肥，这些设备可以记录健身数据，方便用户跟踪健身进度。用户能够一直关注自己的行动曲线。

目前，市面上的健身追踪器已经进展到了第二代甚至第三代，昔日最原始的计步器已经被升级版设备所替代，更新的设备配备测高计和加速度计等，几乎可以追踪一切行为，从用户爬了多少个台阶到用户昨晚的睡眠质量如何等，基本全面覆盖。

光学心率传感器的测量原理

光电容积脉搏波描记法，这个名字读起来实在是高端，其实说简单点就是利用光测量脉搏的一种技术：血液是红色的，反射红光，吸收绿光。穿戴设备通过光学心率传感器检测特定时间手腕处流通的血液量。心脏跳动的一瞬，手腕处流通的血液量增加，吸收更多绿光；而心跳间隙，吸收的绿光就少一些。LED光每秒闪动数百次，计算出每分钟的心跳次数，也就是心率。

当LED光射向皮肤，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转换成电信号再经过AD转换成数字信号，简化过程：光--> 电--> 数字信号

大多数设备都是把绿光作为传感器光源，之所以选择绿光主要是考虑到一下几个特点：

1.皮肤的黑色素会吸收大量波长较短的波；

2.皮肤上的水份也会吸收大量的UV和IR部分的光；

3.进入皮肤组织的绿光(500nm)——黄光(600nm)大部分会被红细胞吸收；

4.红光和接近IR的光相比其他波长的光更容易穿过皮肤组织； 血液要比其他组织吸收更多的光；

5.相比红光，绿（绿-黄）光能被氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收；

总体来说，绿光——红光能作为测量光源。早起多数采用红光为光源，随着进一步的研究和对比，绿光作为光源得到的信号更好，信噪比也比其他光源好些，所以现在大部分穿戴设备采用绿光为光源。但是考虑到皮肤情况的不用（肤色、汗水），高端产品会根据情况自动使用换绿光、红光和IR多种光源。

虽然知道了上面的几个特点，但是还不足以弄清楚为什么通过光照就能测出心率、血氧等参数呢？

当光照透过皮肤组织然后再反射到光敏传感器时光照有一定的衰减的。像肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织等等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），但是血液不同，由于动脉里有血液的流动，那么对光的吸收自然也有所变化。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。我们把这种技术叫做光电容积脉搏波描记法PPG。

光学心率传感器的作用

穿戴设备的大热，使得心率测量随之大为盛行。而当前的心率测量无非于两方面的作用：

一是反应我们的身体健康状况，及时发现可能与心脏有关的问题。

二是对于健身爱好者的运动指导，通过了解心率状况以便对锻炼强度进行控制，避免身体“吃不消”。

也许，对一个心率正常的人来说，追踪心率的意义不大。但相信随着移动心率测量技术的发展，便携式心率设备终将在我们的生活中发挥举足轻重的作用。

光学式心率传感器到底有多准？

外媒曾测试了几款主流的心率监测手表及腕带，并将数据与Polar V800及Suunto Ambit3两款心率带所获得数据进行对比。测试者同时佩戴智能手表/腕带和心率带，进行数次多公里的慢跑运动，然后将数据进行最终对比。

Polar心率带与Garmin Forerunner225运动手表心率数据对比

Polar心率带（橙色）与阿迪达斯miCoach运动手表（蓝色）心率数据对比

Suunto心率带（橙色）与Basis Peak（蓝色）心率数据对比

首先，是Polar心率带与Garmin Forerunner 225运动手表的对比，可以看到曲线图前端拥有较大差异，而在跑步中途、心率逐渐平稳的状态下，错误率约为10%。而阿迪达斯miCoach运动手表的准确率约为86%，错误率为14%；Basis Peak则最不准确，平均错误率达到了25%。

不过，测试方也表示，这并非一项科学实验室级别的测试，基础是建立在心率带在不运动、或慢跑时更为准确。

显然，非官方和医疗级别的测试均说明，目前采用光学心率传感器的智能手表、腕带、手机的准确性并不是100%，毕竟人体是一个非常复杂的结构。不过，此前也有媒体称，Aapple Watch在与心率带的测试中获得了99%的数据同步率，证明其光学心率传感器拥有极高的准确性，这可能是该领域的一个进步。