光學心率傳感器技術在可穿戴設備中的新興醫(yī)療應用

作者：德州儀器Ryan Kraudel

“用于生物計量可穿戴設備的光學心率傳感器”系列文章由三個部分組成，這是第三篇。第一部分重點介紹了這些傳感器系統(tǒng)的工作原理，以及如何使用它們進行測量。第二部分分享了完成50多個生物識別可穿戴產(chǎn)品開發(fā)周期的十大經(jīng)驗教訓。

在日益數(shù)字化的世界中，光學心率傳感器在可穿戴設備中的應用越來越廣泛。這些設備中數(shù)不清的應用可提供從個人活動、健身水平到健康狀況的所有內(nèi)容。精準的生物識別傳感器數(shù)據(jù)可以提供準確的健身/健康評估，但設計師和工程師究竟能用這些評估做些什么呢？表1總結(jié)了目前在健身應用中使用的一些常見評估，這些評估也證明了健康醫(yī)療的意義。

表1：與健康和醫(yī)療相關的關鍵健康評估（信息由美國國立衛(wèi)生研究院提供）

如今，市場上的大多數(shù)可穿戴設備都是針對運動和健身用例推出的，但可以開始看到可穿戴設備正轉(zhuǎn)變?yōu)閭€人健康設備，為人們的健康提供有意義的指導。這是因為這些可穿戴設備中的光電容積描記（PPG）傳感器已經(jīng)達到了一定的精確度，足以滿足許多已被心電圖技術證實的健康和醫(yī)療用例。

以下是一些如何使用這些評估以及如何在未來將其應用于健康和醫(yī)療可穿戴設備的示例。

VO? max

測量身體活動和與之有關的身體反應是決定改善水平的關鍵因素。今天的一些可穿戴設備開始使用VO2max（最大耗氧量）來測量心血管健康的慢性變化。最大攝氧量越高，有氧運動中的表現(xiàn)越好。然而，具有測量最大攝氧量功能的可穿戴設備也可應用于健康和醫(yī)療用途。例如，證據(jù)表明，較高的最大攝氧量也與死亡風險降低和心臟病恢復能力提高有關。

靜止心率

“休息”一詞可能不是人們在考慮健身時首先想到的詞，但心率的靜息測量可以很好地反映健康水平。在不運動的時候，靜息心率的下降與健身的增多有關。一個人的靜息心率越低，他就越有可能減緩心血管疾病的進展。

心率恢復

同樣地，測量心率恢復——心臟在運動后恢復到正常水平的能力——也可以預測健康水平和心臟功能。健康的心臟會比不健康的心臟恢復得快。心率恢復率越高表明耐力越好，心血管健康狀況越好。為了評估心率恢復情況，您可以觀察運動過程中的心率和停止運動后一到兩分鐘的心率之間的差異。

心率反應

另一個有用的評估來自心率傳感器，大約在運動一分鐘后，是心率對運動的反應，這是一種生理反應。工作肌肉活動增加導致交感神經(jīng)系統(tǒng)活動增加。健康水平越低，心率對運動的反應越強。通過定期訓練，身體會適應。雖然心率仍會隨著運動而增加，但身體必須更加努力地運動才能達到同樣的速度。較高的心率反應，再加上變時功能不全，也有助于預測頸動脈疾病。

心臟效率

有規(guī)律的鍛煉也能提高心臟效率，這是心臟所做的工作與完成工作所需的能量之比。心臟效率越高，對于身體活動需要的跳動次數(shù)就越少。心臟效率是一個主要的心臟健康指標。心率下降與許多心血管疾病相關，包括高血壓。

心率變異性（HRV）

身體活動或身體上的壓力，也可以通過HRV來評估心臟搏動之間的時間變化。該測量可以表明心理社會或精神壓力，以及過度鍛煉。HRV監(jiān)測壓力源對身體的影響，它與疲勞（精神和工作能力）和執(zhí)行腦力和工作任務的準備程度有關。HRV還可以預測心律失常和房顫的發(fā)生率。職業(yè)運動員使用HRV已經(jīng)有一段時間了，但現(xiàn)在只是剛剛開始在消費性設備上流行。

最近發(fā)布了許多關于可穿戴設備檢測房顫、心律失常、核心體溫等新功能的公告。這些功能由同樣的光學心率傳感器提供，其使用的PPG已經(jīng)應用于當今大量的可穿戴設備中。