目前市面上存在的可穿戴智能設(shè)備大多只能測量心率、步數(shù)等指標(biāo)，對于血壓、血氧飽和度、呼吸率等指標(biāo)沒有關(guān)注。隨著技術(shù)的發(fā)展，很多傳感器的價(jià)格會逐漸下降，后面手環(huán)和手表的價(jià)格會越來越便宜，功能也會越來越強(qiáng)大！本文內(nèi)容較多，完全可以作為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的參考資料。希望大家能夠耐心的看完內(nèi)容，對應(yīng)的程序內(nèi)容稍后會給出！之前講了計(jì)步功能的算法程序和C程序，本篇開始講解計(jì)算心率的算法程序！

現(xiàn)有智能設(shè)備的研究主要涉及心率這個(gè)生理參數(shù)，導(dǎo)致了很多智能硬件設(shè)備很難兼顧多種生理參數(shù)，對于生理指標(biāo)的測量往往過于單一。這種情況正在隨著硬件性能的提升逐步得到改善。

心率監(jiān)測的方法常見的有兩種：心動(dòng)電流測量法和光電透射測量法。

心動(dòng)電流測量法！在醫(yī)院中測量心電圖時(shí)經(jīng)常會看到，通過測量人體不同點(diǎn)的電勢變化，從而測量出心率變化，該方法測量精準(zhǔn)，但必須同時(shí)監(jiān)測人體的兩個(gè)部位，而我們平時(shí)用手機(jī)和手表的時(shí)候都是單手接觸產(chǎn)品，所以無法做到持續(xù)監(jiān)測。

光電透射測量法！可穿戴設(shè)備上一般都采用這個(gè)，它是一種通過光反射測量的光電心率傳感器以及利用人體不同部位電勢測量的電極式心率傳感器。特點(diǎn)是準(zhǔn)確度欠佳，優(yōu)勢在于體積小。

2020年，很多手環(huán)具備ECG+PPG相結(jié)合的心率測量方法！這樣的測量方式會使得測量結(jié)果更加準(zhǔn)確！

除了心率數(shù)據(jù)，華為手環(huán)已經(jīng)能監(jiān)測血氧飽和度、壓力、睡眠等多項(xiàng)數(shù)據(jù)。當(dāng)血氧飽和度過低時(shí)，人體會疲憊、嗜睡，影響工作狀態(tài)，而華為手環(huán)還能實(shí)時(shí)監(jiān)測血氧飽和度含量，幫助我們適時(shí)調(diào)整狀態(tài)。常見的智能運(yùn)動(dòng)手表的心率監(jiān)測實(shí)際上都是PPG方式，這種監(jiān)測方式更快但是容錯(cuò)率也很高；而智能心率帶則不一樣，它的監(jiān)測方式采用的是ECG，這種操作方式簡單來講就是將心率帶圍繞胸部固定，心率帶內(nèi)側(cè)的電極片會捕捉心臟跳動(dòng)時(shí)在皮膚表面引起的微小電學(xué)變化，這些小變化會被發(fā)送至心率表通過算法轉(zhuǎn)化為當(dāng)前我們看到的心率。

健康知識提升：有氧運(yùn)動(dòng)黃金心率一般在每分鐘120次到160次，都是屬于正常的范圍。人在安靜的狀態(tài)下心率一般在每分鐘60次到100次，在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候會出現(xiàn)心率加快。有氧運(yùn)動(dòng)屬于比較健康的運(yùn)動(dòng)方法，能夠起到增強(qiáng)體質(zhì)以及免疫力的功效，并且也能夠起到減肥的作用。有氧運(yùn)動(dòng)主要包括慢跑或者是快走以及爬山等等，可以每天堅(jiān)持進(jìn)行鍛煉。靜止、慢走、慢跑、快走、爬山模式可以通過加速度傳感器的數(shù)據(jù)來判別！

ECG是通過生物電來進(jìn)行檢測，人體的組織和細(xì)胞在生命活動(dòng)過程中會發(fā)生電位和極性變化，這些電變化統(tǒng)稱為生物電。ECG是英文Electrocardiogram的縮寫，ECG的中文意思是心電圖。心臟生物電即是生物電的一種，心臟在每次跳動(dòng)中，都伴隨著生物電的變化，通過米動(dòng)健康手環(huán)捕捉心臟發(fā)出的電信號， 經(jīng)過數(shù)字化信號處理后，就能輸出準(zhǔn)確、詳細(xì)的心臟健康信息。PPG指的是光電容積脈搏波描記法，簡稱PPG。監(jiān)測心率的原理很簡單：血液是紅色的，反射紅光，吸收綠光。兩者相結(jié)合能夠更為準(zhǔn)確的進(jìn)行監(jiān)測和顯示。

了解一些簡單的原理！漲知識！

當(dāng)然這些對于信號處理是有幫助的！因?yàn)樾盘柼幚碇械囊粋€(gè)重要步驟就是特征處理，了解了原理，才能更加準(zhǔn)確的把握數(shù)據(jù)的特性！先看傳感器涉及的原理知識！

人體組織包含血液、皮膚、骨骼等。當(dāng)固定波長的光束穿過人體組織時(shí)，血液會吸收部分光能。在一個(gè)脈搏周期內(nèi)，由于心肌的收縮擴(kuò)張活動(dòng)，脈管的壓力發(fā)生周期性的變化，脈管中的血容量也會發(fā)生周期的變化，當(dāng)心肌收縮時(shí)，血容量變大，吸光物質(zhì)變多，返回的光能變?nèi)酰鎻垥r(shí)期血容量變小，吸光物質(zhì)變多，返回的光能變強(qiáng)。利用光電傳感器接收返回的光能，會發(fā)現(xiàn)光能的變化和心臟活動(dòng)變化一致。這種接收的光就是光電容積脈搏波。光分為紅光和綠光兩種！

檢測光強(qiáng)的傳感器除了接收到我們所發(fā)出的光線反射光，也會接收到環(huán)境光的反射光。

如果我們用綠光結(jié)合檢測綠光的傳感器，環(huán)境光中的綠色成分基本被人體吸收的差不多了，反射到傳感器上的基本可以忽略。如果換成紅光（紅外光），由于人體對紅光（紅外光）吸收較少，環(huán)境光的紅色（紅外）成分還是會有部分反射到傳感器，從而對于有效信號形成干擾。所以用綠光比用紅光抗環(huán)境光影響的能力要好。手環(huán)里面的CPU會接收到這兩種光的測量值，算法會根據(jù)這些值來計(jì)算出心率！

之所以選擇綠光作為光源還有其他的原因。比如皮膚的黑色素會吸收大是波長較短的波；皮膚上的水份也會吸收大量的UV和IR頻段的光，UV是紫外線，IR是紅外線；進(jìn)入皮膚組織的綠光(500nm)—黃光(600nm)大部分會被紅細(xì)胞吸收；紅光和接近IR的光相比其他波長的光更容易穿過皮膚組織；血液要比其他組織吸收更多的光；相比紅光，綠(綠-黃)光能被氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收?？傮w來說，綠光-紅光能作為測量光源。早期設(shè)備多數(shù)采用紅光為光源，隨著進(jìn)一步的研究和對比，綠光作為光源得到的信號更好，信噪比也比其他光源好些，所以現(xiàn)在大部分穿戴設(shè)備采用綠光為光源。但是考慮到皮膚情況的不用(膚色、汗水辦高端市品會根據(jù)情況自動(dòng)使用換綠光，紅光等其他多種光源。事實(shí)是什么樣子呢？采集到的數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證上述理論！

PPG信號的產(chǎn)生！

右邊是一個(gè)完整周期的PPG信號，圖中光能的變化曲線與心臟活動(dòng)變化是一致的。其中，開始的上升階段表示血流在心血泵壓的動(dòng)力下持續(xù)流動(dòng)，毛細(xì)血管中的血流量下降，對光能吸收減少，光能上升。之后血液不斷推進(jìn)至末端重點(diǎn)靜脈處遇到阻礙，此時(shí)一部分靜脈反射血液也流入毛細(xì)血管中，導(dǎo)致血流增加，對光能吸收增加，光能下降。在光能下降的過程中，出現(xiàn)了一段短暫的重搏，這是因?yàn)檠黜樦梭w外周脈管急速流動(dòng)，容量減小。最終，心臟射血結(jié)束，進(jìn)入舒張期，開始新一輪的循環(huán)。

心率估計(jì)和監(jiān)測對于確定一個(gè)人的生理和心理狀態(tài)非常重要，傳統(tǒng)的測量心率的方法都是接觸式的，如電極式心電圖。通過電極片感應(yīng)人體的心動(dòng)電流來測量心率。在可穿戴設(shè)備如智能手表或者手環(huán)上，最常用的是利用光電容積脈搏波（PPG）來進(jìn)行測量，但同樣需要緊密接觸皮膚。接觸式的測量方式雖然較為準(zhǔn)確，但必然會帶來很多不適與不便，尤其在某些特殊的場景下，無法使用接觸式的測量方式。

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