智能手環(huán)計(jì)算心率的算法程序

目前市面上存在的可穿戴智能設(shè)備大多只能測(cè)量心率、步數(shù)等指標(biāo)，對(duì)于血壓、血氧飽和度、呼吸率等指標(biāo)沒(méi)有關(guān)注。隨著技術(shù)的發(fā)展，很多傳感器的價(jià)格會(huì)逐漸下降，后面手環(huán)和手表的價(jià)格會(huì)越來(lái)越便宜，功能也會(huì)越來(lái)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(duì)應(yīng)的程序內(nèi)容稍后會(huì)給出！之前講了計(jì)步功能的算法程序和C程序，本篇開(kāi)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(duì)于生理指標(biāo)的測(cè)量往往過(guò)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(cè)的方法常見(jiàn)的有兩種：心動(dòng)電流測(cè)量法和光電透射測(cè)量法。

心動(dòng)電流測(cè)量法！在醫(yī)院中測(cè)量心電圖時(shí)經(jīng)常會(huì)看到，通過(guò)測(cè)量人體不同點(diǎn)的電勢(shì)變化，從而測(cè)量出心率變化，該方法測(cè)量精準(zhǔn)，但必須同時(shí)監(jiān)測(cè)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(wú)法做到持續(xù)監(jiān)測(cè)。

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

2020年，很多手環(huán)具備ECG+PPG相結(jié)合的心率測(cè)量方法！這樣的測(cè)量方式會(huì)使得測(cè)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(cè)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(guò)低時(shí)，人體會(huì)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(cè)血氧飽和度含量，幫助我們適時(shí)調(diào)整狀態(tài)。常見(jiàn)的智能運(yùn)動(dòng)手表的心率監(jiān)測(cè)實(shí)際上都是PPG方式，這種監(jiān)測(cè)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(cè)方式采用的是ECG，這種操作方式簡(jiǎn)單來(lái)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(huì)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(huì)被發(fā)送至心率表通過(guò)算法轉(zhuǎn)化為當(dāng)前我們看到的心率。

健康知識(shí)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(huì)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(guò)加速度傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)判別！

ECG是通過(guò)生物電來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，人體的組織和細(xì)胞在生命活動(dòng)過(guò)程中會(huì)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(guò)米動(dòng)健康手環(huán)捕捉心臟發(fā)出的電信號(hào)， 經(jīng)過(guò)數(shù)字化信號(hào)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(jiǎn)稱PPG。監(jiān)測(cè)心率的原理很簡(jiǎn)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(cè)和顯示。

了解一些簡(jiǎn)單的原理！漲知識(shí)！

當(dāng)然這些對(duì)于信號(hào)處理是有幫助的！因?yàn)樾盘?hào)處理中的一個(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(shí)！

人體組織包含血液、皮膚、骨骼等。當(dāng)固定波長(zhǎng)的光束穿過(guò)人體組織時(shí)，血液會(huì)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(huì)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)?，舒張時(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(huì)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(cè)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(huì)接收到環(huán)境光的反射光。

如果我們用綠光結(jié)合檢測(cè)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(duì)紅光（紅外光）吸收較少，環(huán)境光的紅色（紅外）成分還是會(huì)有部分反射到傳感器，從而對(duì)于有效信號(hào)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(huì)接收到這兩種光的測(cè)量值，算法會(huì)根據(jù)這些值來(lái)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(huì)吸收大是波長(zhǎng)較短的波；皮膚上的水份也會(huì)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(huì)被紅細(xì)胞吸收；紅光和接近IR的光相比其他波長(zhǎng)的光更容易穿過(guò)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。總體來(lái)說(shuō)，綠光-紅光能作為測(cè)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(duì)比，綠光作為光源得到的信號(hào)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(huì)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(hào)的產(chǎn)生！

右邊是一個(gè)完整周期的PPG信號(hào)，圖中光能的變化曲線與心臟活動(dòng)變化是一致的。其中，開(kāi)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(duì)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(duì)光能吸收增加，光能下降。在光能下降的過(guò)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(kāi)始新一輪的循環(huán)。

心率估計(jì)和監(jiān)測(cè)對(duì)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(cè)量心率的方法都是接觸式的，如電極式心電圖。通過(guò)電極片感應(yīng)人體的心動(dòng)電流來(lái)測(cè)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(lái)進(jìn)行測(cè)量，但同樣需要緊密接觸皮膚。接觸式的測(cè)量方式雖然較為準(zhǔn)確，但必然會(huì)帶來(lái)很多不適與不便，尤其在某些特殊的場(chǎng)景下，無(wú)法使用接觸式的測(cè)量方式。

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