量子时代生产的能量手环与其他手环手环监测心率有意义吗功能有啥不同？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2024-01-07 20:31 标签： 手环监测心率有意义吗
可穿戴设备这几年大火，特别是手环手表类，从小米手环到苹果手表，更关注医疗健康功能。心率监测已成为可穿戴设备的“标配”。心率监测为何如此受重视？持续心率监测有何意义？ 1、心血管疾病成为全球头号死因 根据世界卫生组织的统计，心血管病死亡率居首位，明显高于肿瘤及其他疾病。心血管疾病在2012年使近1750万人丧命，占全球死亡总数的31％，也就是每10名死者中就有3名是死于心血管疾病。然而很多人对心脏病的认识往往不足，以为是猝死、中风等都是突发急症，只有等到自己实在难受得无法忍受时才会想到寻医问诊。其实，大部分的早期心脏病发作和中风都是可以预防的。除了保证良好的生活习惯，最关键的就是早发现早治疗。心慌、胸闷、胸痛、头昏或晕厥这些看似不起眼的症状，很有可能都是心脏发出的求救信号，而大部分人都因为大意错过了最佳治疗时机。2、医院单次性的检测未必足够 目前，当前医院最普遍的检查方法是采用心电图机（ECG）检查患者的心脏功能，但监测时间比较短。 很多早期的心脏疾病几乎没有明显的症状，大部分人都很难察觉到。 多数人在发病之前没有任何明显症状，但是却会突然发病，甚至猝死。心血管疾病并不像普通病症那样一直表现出症状。有很多患者的病症表现是轻微、断断续续而难以辨别的，有些人可能几年才会表现出一次症状。甚至有些患者在经历了挂号、排队等候，最后到了心电图检查环节的时候，原本难受的心脏却突然听话了起来，心电图结果没有什么异常。3、生命体征数据被大众忽视在医院问诊时，医生通常检查患者的4种生命体征：心率、血压、呼吸率和体温。这些检查听上去很简单，甚至大部分人觉得没有必要，以至于常常被忽视。新泽西溪谷医院的心脏病专家Suneet Mittal博士介绍，每年检查这些生命体征1次或2次通常不够，容易导致医生根据“错误时间得到的错误数据”做出医疗决策。大部分消费类电子设备通常是五分钟或十分钟测一次，只记录短短30S的数据。这种间歇性数据只能作为心率的日常测量，并不具备太多的医学参考价值。 4、持续的心率监测有助于诊断疾病每分钟心脏跳动的次数就是心率，心率是最直接反映我们心脏健康的标志。心脏是血液泵出的动力，也是各器官系统以及整个身体正常运行的保证。所谓心率的连续监测是指在连续的一段时间内，对心率进行准确的监测。由于心脏疾病的复杂性，多次检查以排除干扰因素是非常必要的。除了到医院检查，对于心血管疾病高风险人群，长期持续监测心率可建立预防的第一道防线。通过连续准确的心电监测和分析，及时发现心脏活动异常表现，为患者赢得宝贵的就诊和干预时间。如果医生认为您的心律可能出现了问题，医生可能就会让您戴一两天Holter动态心电监测仪，以全方位观察心脏在某个时间点产生的电活动变化。但是对于老人或者是患者来说，长期心率监测靠随身携带一个笨重的专业设备来随时测量，或多或少会影响到正常的生活习惯及生活质量。基于以上医疗现状与问题，善行医疗自主研发生产了可穿戴式心电记录仪——12导联智能心电衣，采用柔性织物电极取代了传统心电采集导联线部分，在家可独自进行24小时长程动态心电图检查，手机APP实时查看心电相关指标，由北京阜外医院专家团队出具医疗级Holter报告。12导联智能心电衣，全方面采集心率、呼吸、血压、体温等人体生命体征数据，通过大数据平台和自主研发的AI算法，识别和捕捉包括房颤、早搏在内的多种心律失常事件，如有异常情况后台会发出紧急提醒。目前，该款智能心电衣已获批NMPA二类医疗器械注册证。
一般来说，心率监测的原理通常分三种：一种是光电透射测量法，原理上来说就是手环与皮肤接触的传感器会发出一束光打在皮肤上，测量反射/透射的光。因为血液对特定波长的光有吸收作用，每次心脏泵血时，该波长都会被大量吸收，以此就可以确定心跳。不过缺点是耗电量大，同时会受环境光干扰。目前市面上的智能手环或手表监测心率的功能多是采用了光电透射测量法。还有一种方法是测试心电信号的方法，手环的传感器可以通过测量心肌收缩的电信号来判断使用者的心率情况，原理和心电图类似原理。缺点是电路比较复杂，占PCB空间比较大，易受电磁干扰，同时传感器必须紧贴皮肤，放置位置相对固定，所以很难有手环采用这种测量方式。除此之外，还有振动式测量，最近才有产品出来。 因为每次心跳都会引起身体的震动，通过高精度的传感器捕捉这种震动，再经过信号处理可以得到心跳，一般来说，智能坐垫或智能按摩器一类的产品多会采用这种测量方法，手环则比较少见。小米手环测心率的原理则主要是： 1.通过反射原理，检测人体红细胞的含氧量
2.通过检测脉搏传导速率的方法，计算心电检测和脉搏检测的时间差来得到血压信息
3.通过内外两侧的温度感应获得更加准确的人体温度值
4.通过代谢热整合法，检测到代谢长生的热量，血氧饱和度、血流速之后，计算出血糖浓度值 这个原理的最大突破是实现了体征数据得到的无创，对人的干扰小。血压、血糖、体温变化值分别对高血压患者、糖尿病患者、孕妇这几类人群检测自己的身体数据会很有帮助。注：内容摘自网络
目前的智能手环的主要卖点即智能健康监测功能，运动健康管理由最初的简单监测每日运动步数的功能逐渐发展为全面的运动心率监测。随着技术的发展以及传感器技术的进步，越来越多的健康参数如血氧、血压、血糖等生理参数将集成于穿戴式产品中去。一、主流的穿戴式产品1. 苹果手表Apple Watch Series4 ECG心电版本的发布取得了巨大的成功，继PPG（Photoplethysmograhy， 容积描记波）光电法测量运动心率后，第一次在穿戴式产品上实现了ECG（Electrocardiograph，心电图）功能。如下图1所示，苹果手表4的底下具备众多健康传感器，位于中央位置的是PPG功能的光电发射管，其周围围绕着6~8个小的光电接收管。这样既考虑到了ID设计的美观性也考虑到了系统功耗，接收管分散围绕着发光管的办法可以最大限度地“榨取”发光管的光效率，有效地利用功耗。接收管的外沿两个半圆形的金属片是ECG的两个电极，设计的面积比较大，能够有效地与人体接触。由于ECG监测需要双手操作，表侧边的按钮被设计成剩下的电极，便于另一个手的手指搭到按钮上进行ECG的测量，如图2所示，所有的空间及功能已经被发挥的淋漓尽致。图1 苹果手表心电版的底部结构图图2 苹果手表心电版测试心电2. 华为手环华为荣耀手环5底部的传感器有三个开窗，中间蓝色是PPG光电接收管，两边对称地放置PPG发射管1和2，这种设计可以最大限度地利用光电接收管的效率获得理想的脉搏波信号。图3 华为荣耀手环53. 小米手环小米手环4与华为荣耀手环5的底部设计类似，都是中间放置PPG光电接收管两边对称放置PPG发光管的布局。两者都不约而同地采用自身的家族式设计风格，简洁明快并实用。图4 小米手环4二、心率监测的主要技术从上述设备的分析我们可以看到，心率监测的技术路线主要有两个：一个是基于生物电势监测法的心电信号监测即ECG功能；另外一个是基于光电式检测法的脉搏波监测法即PPG心率功能，我们知道脉率等于心率。1. 苹果手表上的ECG功能是单导心电图的监测，可以实现心律不齐的分析，苹果宣称的是针对A-Fib（房颤）的监测功能，这对于心脏疾病的监测及预防是非常有意义的。如果对ECG仍然不了解的话，您可以想象下医院里做健康体检的心电图设备，不同的是医院里的设备都是大型的、具备5/12导联的心电图机，而穿戴式设备仅使用其中的一个导联实现部分功能。这是个划时代的进步，穿戴式设备的普及使得早健康、早发现的概念得以实现，帮助用户进行日常健康监测，有问题可以做到早发现、早就医。ECG监测可以获得准确并实时的心率检测结果，但是操作时需要用户双手操作，这不免增加了使用上的难度，因此对产品的人机工程学以及鲁棒性方面的设计要求很高。精度方面做到5%以内甚至1%是没有问题的。2. 苹果手表、华为手环和小米手环都无一例外地将基于光电式检测法的脉搏波检测法作为其标配功能，主要原因是基于光电检测法的PPG脉搏波测量是一种无创伤的无感监测，这意味着使用者或者用户无需干预操作或者说在无感知的情况下完成身体生理指标的采集。通过PPG信号可以提取很多有用的信息，常见的功能有如下几种：1） HRM心率监测功能HRM心率监测是利用PPG脉搏波的脉率等于心率的原理来实时监测并跟踪心率的变化，它关心的是心率的变化趋势而并不是PPG信号本身的细节质量。另外人体的运动也会给PPG信号造成较大的噪声干扰，体现在时域信号上根本无法获得信号的基本特征。因此需要一定的抗运动算法来提取心率的变化规律。2） SPO2血氧饱和度监测血氧饱和度（SPO2）是指血液中的含氧血红蛋白占总血红蛋白的比例，用来表征血液的携氧量。与仅监测心率的PPG不同，血氧饱和度监测一般采用双色光（红光和红外光）交替照射皮肤获得各自波长的PPG信号，然后通过算法来获得SPO2，而且监测血氧饱和度的时候需要被测者保持相对的静止状态。由于SPO2测试时需要两种不同波长的光源而且测试时候要求相对的保持静止的状态，其获得的PPG信号的信号质量相对较好，因此心率在这个应用中是SPO2算法的附属产物，可以做到5%以内甚至1%的精度，延时在5秒以内。3） 睡眠质量睡眠质量是华为手环重点宣称的指标，睡眠监测基于长时间连续的心率监测，通过对心率变化的规律学习以及趋势的预测，穿戴式设备可以获知用户是否处于睡眠状态甚至是否是高质量的睡眠。与标准的心率监测不同的是，睡眠监测的数据率一般比较低：比如1Hz，部分产品会采用红外光作为首选光源，因为人类眼睛对于绿色光非常敏感，如果晚上监测睡眠时漏光或者照射到眼睛上反而会干扰睡眠，所以说尽管红外光的电源效率没有绿光高，但这个场景不需要高输出速率也没有运动，综合来看红外光比较有优势。4） 无袖带式血压监测高血压一直都是心脑血管疾病的杀手之一，在穿戴式产品上实现无袖带式连续血压监测目前具有很大的挑战性，尤其是面对不同肤色的人群以及复杂的使用环境问题。无袖带式血压（CNIBP）监测的主要技术路线是多PPG或者PPG+ECG的应用，目前有很多公司在研发。基于这个应用@亚德诺半导体ADI公司提供了最新的ADPD4000产品系列来满足多参数检测的需求。3. 各种心率监测技术的对比4. 各种心率检测技术的芯片及传感器穿戴式产品的健康检测功能主要是针对生理体征的监测，如上所述，包括ECG、PPG、SPO2等一系列参数指标，@亚德诺半导体ADI公司针对这些需求都有对应的芯片解决方案，如单导心电芯片AD8233可以参考图5所示的单导ECG芯片架构图。针对未来的多参数、高集成度的特点及要求，ADPD4000系列提供了ECG、PPG甚至生理阻抗（Bio-Z）等功能的多合一芯片，如图6所示的芯片架构图，它可以搭载做个发光管、接收管实现基于PPG脉搏波的更多更深层次的应用。ECG和Bio-Z都是基于导电电极的测量，可以归为一类。图5 AD8233 单导ECG芯片的架构图图6 ADPD4000芯片的内部架构图三、光电式心率监测的主要技术难点及解决方法前面我们从市面上主流的产品说起，主要谈论了穿戴式产品的健康监测功能，心率监测是目前产品最重要的参数指标，下面将对基于PPG的运动心率监测做详细介绍。众所周知，目前绝大多数的穿戴式心率监测手环/手表均支持走路和跑步状态的心率监测，这是非常有意义的功能。下图7表示了运动对PPG信号的干扰，左边是静止时的PPG信号，你可以看到信号非常的清晰、平坦，但是当人跑步的时候在PPG信号上出现了巨大的“噪声”，因此仅从时域图上我们很难获得原始的心跳信息。解决的办法是在频域里观察频谱图，如图7所示，横轴是时间轴，纵轴是频率，颜色代表该频率下的能量强度颜色偏黄的代表高能量。你会发现视频图里面包含很多的能量信息，这里面既包括我们想找的心率也包括运动伪像如跑步、说话频率及其谐波。这是基本的算法检测原理，最终结果的精度差异取决于信号质量以及算法抗扰度处理的能力。图7 运动对PPG信号的干扰图8 算法从PPG信号中提取心率信息

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