进一步详解Apple Watch心率监测:绿色LED和红外光到底如何变幻?

橙皮书·2015-04-21 11:57
心率监测这个问题,苹果是如何考虑的?


Image title今天苹果公布了Apple Watch心率监测的原理致是通过光电检测法:心脏跳动时,人体全身血管会有微小波动的原理,射出一束光到人的手腕上,并用摄像头观察反射的阴影。如果其中有微小变化,就认为心脏跳动一次。

Apple Watch采用了两种光来监测,一是绿色的LED灯光,另一个是红外光。平时Apple Watch是用红外光来监测心率的,10分钟测一次,如果红外系统没法给出合适的结果,就会切换到绿色LED灯。另外,心率传感器还有补偿式设计,在信号不稳时可以通过增强LED光强和采样频率来弥补。

那么LED灯和红外灯具体有什么不同呢?我们和37度手环的创始人王帅聊了下这个话题,很有收获,听听他的分析:

主要区别还是信噪比和功耗。

绿色LED测量的话,精度很高,基本可以拿到每一次心脏搏动时的完整波形数据,所以测出来的心率是实时数据,用手表看的话会发现一直在变,因为正常人每次心跳需要的时间都是不一样的。想想ICU病房里的心电图显示器,上面显示的心率也是在不断变的。ICU和Apple Watch的区别就是,前者测的是电信号,后者测的是光信号。

这种即时的精准心率测量有什么使用场景呢?我们现在发现有两类,其一是需要周期性检测心率的,比如有些用户需要每天固定时间点测量心率,坚持很长时间,再去看这段时间身体状态如何的;其二是需要从单个具体的心率周期中看哪段可能有问题,这就需要能把整个心率周期的波形数据都即时精确的捕捉到。

红外测量的方法其实是很省电的,可以一直开着。但是它受外界干扰比较大,通常需要对心率保持一段时间的追踪,等稳定了再去采样计算,得出心率。红外测量的方法更像把脉,测一分钟内心跳的数据,然后算平均值,其实就是一分钟内的平均心率。

在Apple Watch这个产品上,可能的产品逻辑是,平时用红外测量来获得一天里大部分时间的平均心率,官方说法是10分钟测一次,这个频率对普通人已经够了,同时能耗不高。对运动爱好者来说,可能在某个节点需要知道精准心率,再切换到绿色LED系统去测量。

上面这两种方法相对来说难度并不太高,运动时的即时心率监测才是真正的难题。目前市面上还没有太好的解决方法,有些声称解决了的设备,我们试用之后发现,同临床试验比,是有很明显的延迟的,另外还丢掉了许多频段的信号。主要原因是光电测量的方法在信号抽样时有太多限制,抽样频率稍高一些能耗上升的很明显,大家只好降低频率,精度就下来了。

Apple Watch应该是在运动时心率监测上花了功夫的,不过现在还不知道它是如何解决这个问题的,也不知道效果如何。从现有的资料和图片来推测,Apple Watch的两个绿色LED灯之前距离隔得很远,发射面积也很大,逻辑上讲应该是一个多修正体系,中间的sensor很可能是全光幅检测,有些类似摄像头,不是对一个点去采样,而是对十万个点进行采样,然后去计算平均方差,得出的结果精度就很高了。

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2015-04-21

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