智能手环计算心率的算法程序

目前市面上存在的可穿戴智能设备大多只能测量心率、步数等指标，对于血压、血氧饱和度、呼吸率等指标没有关注。随着技术的发展，很多传感器的价格会逐渐下降，后面手环和手表的价格会越来越便宜，功能也会越来越强大！本文内容较多，完全可以作为本科毕业设计论文的参考资料。希望大家能够耐心的看完内容，对应的程序内容稍后会给出！之前讲了计步功能的算法程序和C程序，本篇开始讲解计算心率的算法程序！

现有智能设备的研究主要涉及心率这个生理参数，导致了很多智能硬件设备很难兼顾多种生理参数，对于生理指标的测量往往过于单一。这种情况正在随着硬件性能的提升逐步得到改善。

心率监测的方法常见的有两种：心动电流测量法和光电透射测量法。

心动电流测量法！在医院中测量心电图时经常会看到，通过测量人体不同点的电势变化，从而测量出心率变化，该方法测量精准，但必须同时监测人体的两个部位，而我们平时用手机和手表的时候都是单手接触产品，所以无法做到持续监测。

光电透射测量法！可穿戴设备上一般都采用这个，它是一种通过光反射测量的光电心率传感器以及利用人体不同部位电势测量的电极式心率传感器。特点是准确度欠佳，优势在于体积小。

2020年，很多手环具备ECG+PPG相结合的心率测量方法！这样的测量方式会使得测量结果更加准确！

除了心率数据，华为手环已经能监测血氧饱和度、压力、睡眠等多项数据。当血氧饱和度过低时，人体会疲惫、嗜睡，影响工作状态，而华为手环还能实时监测血氧饱和度含量，帮助我们适时调整状态。常见的智能运动手表的心率监测实际上都是PPG方式，这种监测方式更快但是容错率也很高；而智能心率带则不一样，它的监测方式采用的是ECG，这种操作方式简单来讲就是将心率带围绕胸部固定，心率带内侧的电极片会捕捉心脏跳动时在皮肤表面引起的微小电学变化，这些小变化会被发送至心率表通过算法转化为当前我们看到的心率。

健康知识提升：有氧运动黄金心率一般在每分钟120次到160次，都是属于正常的范围。人在安静的状态下心率一般在每分钟60次到100次，在运动的时候会出现心率加快。有氧运动属于比较健康的运动方法，能够起到增强体质以及免疫力的功效，并且也能够起到减肥的作用。有氧运动主要包括慢跑或者是快走以及爬山等等，可以每天坚持进行锻炼。静止、慢走、慢跑、快走、爬山模式可以通过加速度传感器的数据来判别！

ECG是通过生物电来进行检测，人体的组织和细胞在生命活动过程中会发生电位和极性变化，这些电变化统称为生物电。ECG是英文Electrocardiogram的缩写，ECG的中文意思是心电图。心脏生物电即是生物电的一种，心脏在每次跳动中，都伴随着生物电的变化，通过米动健康手环捕捉心脏发出的电信号， 经过数字化信号处理后，就能输出准确、详细的心脏健康信息。PPG指的是光电容积脉搏波描记法，简称PPG。监测心率的原理很简单：血液是红色的，反射红光，吸收绿光。两者相结合能够更为准确的进行监测和显示。

了解一些简单的原理！涨知识！

当然这些对于信号处理是有帮助的！因为信号处理中的一个重要步骤就是特征处理，了解了原理，才能更加准确的把握数据的特性！先看传感器涉及的原理知识！

人体组织包含血液、皮肤、骨骼等。当固定波长的光束穿过人体组织时，血液会吸收部分光能。在一个脉搏周期内，由于心肌的收缩扩张活动，脉管的压力发生周期性的变化，脉管中的血容量也会发生周期的变化，当心肌收缩时，血容量变大，吸光物质变多，返回的光能变弱，舒张时期血容量变小，吸光物质变多，返回的光能变强。利用光电传感器接收返回的光能，会发现光能的变化和心脏活动变化一致。这种接收的光就是光电容积脉搏波。光分为红光和绿光两种！

检测光强的传感器除了接收到我们所发出的光线反射光，也会接收到环境光的反射光。

如果我们用绿光结合检测绿光的传感器，环境光中的绿色成分基本被人体吸收的差不多了，反射到传感器上的基本可以忽略。如果换成红光（红外光），由于人体对红光（红外光）吸收较少，环境光的红色（红外）成分还是会有部分反射到传感器，从而对于有效信号形成干扰。所以用绿光比用红光抗环境光影响的能力要好。手环里面的CPU会接收到这两种光的测量值，算法会根据这些值来计算出心率！

之所以选择绿光作为光源还有其他的原因。比如皮肤的黑色素会吸收大是波长较短的波；皮肤上的水份也会吸收大量的UV和IR频段的光，UV是紫外线，IR是红外线；进入皮肤组织的绿光(500nm)—黄光(600nm)大部分会被红细胞吸收；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；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。早期设备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、汗水办高端市品会根据情况自动使用换绿光，红光等其他多种光源。事实是什么样子呢？采集到的数据可以验证上述理论！

PPG信号的产生！

右边是一个完整周期的PPG信号，图中光能的变化曲线与心脏活动变化是一致的。其中，开始的上升阶段表示血流在心血泵压的动力下持续流动，毛细血管中的血流量下降，对光能吸收减少，光能上升。之后血液不断推进至末端重点静脉处遇到阻碍，此时一部分静脉反射血液也流入毛细血管中，导致血流增加，对光能吸收增加，光能下降。在光能下降的过程中，出现了一段短暂的重搏，这是因为血流顺着人体外周脉管急速流动，容量减小。最终，心脏射血结束，进入舒张期，开始新一轮的循环。

心率估计和监测对于确定一个人的生理和心理状态非常重要，传统的测量心率的方法都是接触式的，如电极式心电图。通过电极片感应人体的心动电流来测量心率。在可穿戴设备如智能手表或者手环上，最常用的是利用光电容积脉搏波（PPG）来进行测量，但同样需要紧密接触皮肤。接触式的测量方式虽然较为准确，但必然会带来很多不适与不便，尤其在某些特殊的场景下，无法使用接触式的测量方式。

责任编辑：haq