詳解 Apple Watch 心率監測:綠色 LED 和紅外線到底如何變換?

作者 | 發布日期 2015 年 04 月 22 日 10:23 | 分類 Apple Watch
36Kr 配圖

今天蘋果公布了 Apple Watch 心率監測的原理,大致是通過光電檢測法: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,並用攝影機觀察反射的陰影。如果其中有微小變化,就認為心臟跳動一次。



Apple Watch 採用了兩種光來監測,一是綠色的 LED 燈光,另一個是紅外線。平時 Apple Watch 是用紅外光來監測心率的,10 分鐘測一次,如果紅外線系統無法給出合適的結果,就會切換到綠色 LED 燈。另外,心率傳感器還有補償式設計,在信號不穩時可以透過增強 LED 光強和採樣頻率來彌補。

那麼 LED 燈和紅外線燈具體有什麼不同呢?我們和 37 度手環的創始人王帥聊了下這個話題,很有收穫,聽聽他的分析:

主要區別還是訊雜比和功耗。

綠色 LED 測量的話,準確度很高,基本可以拿到每一次心臟搏動時的完整波形數據,所以測出來的心率是實時數據,用手錶看的話會發現一直在變,因為正常人每次心跳需要的時間都是不一樣的。想想 ICU 病房裡的心電圖顯示器,上面顯示的心率也是在不斷變的。ICU 和 Apple Watch 的區別就是,前者測的是電信號,後者測的是光信號。

這種即時的精準心率測量有什麼使用情況呢?我們現在發現有兩類,其一是需要週期性檢測心率的,比如有些用戶需要每天固定時間點測量心率,堅持很長時間,再去看這段時間身體狀態如何的;其二是需要從單個具體的心率週期中看哪段可能有問題,這就需要能把整個心率週期的波形數據都即時精確的捕捉到。

紅外線測量的方法其實是很省電的,可以一直開著。但是它受外界干擾比較大,通常需要對心率保持一段時間的追蹤,等穩定了再去採樣計算,得出心率。紅外測量的方法更像把脈,測一分鐘內心跳的數據,然後算平均值,其實就是一分鐘內的平均心率。

 

即時心率監測才是真正難題

在 Apple Watch 這個產品上,可能的產品邏輯是,平時用紅外測量來獲得一天裡大部分時間的平均心率,官方說法是 10 分鐘測一次,這個頻率對普通人已經夠了,同時能耗不高。對運動愛好者來說,可能在某個節點需要知道精準心率,再切換到綠色 LED 系統去測量。

上面這兩種方法相對來說難度並不太高,運動時的即時心率監測才是真正的難題。目前市面上還沒有太好的解決方法,有些聲稱解決了的設備,我們試用之後發現,與臨床試驗比較,有很明顯的延遲,另外還丟掉了許多頻段的信號。主要原因是光電測量的方法在信號抽樣時有太多限制,抽樣頻率稍高一些能耗上升的很明顯,大家只好降低頻率,準確度就下來了。

Apple Watch 應該是在運動時心率監測上花了工夫的,不過現在還不知道它是如何解決這個問題的,也不知道效果如何。從現有的資料和圖片來推測,Apple Watch 的兩個綠色 LED 燈之前距離隔得很遠,發射面積也很大,邏輯上講應該是一個多修正體系,中間的 sensor 很可能是全光伏檢測,有些類似攝影機,不是對一個點去採樣,而是對十萬個點進行採樣,然後去計算平均方差,得出的結果準確度就很高了。

(本文由 36Kr 授權轉載)

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