揭秘苹果Apple Watch监测心率的技术原理

医疗器械 来源:CSDN
2015
04/26
13:03
CSDN 医疗器械

4月24日,Apple Watch正式发售,根据媒体报道,预定量远远大于库存量,许多“果粉”又要继续等待了。那么在Apple Watch广告中显示的健康功能,心率检测是如何实现的呢?

Apple Watch利用LED绿光和红外光,以及两种光传感器来检测心率。当其处于15摄氏度(59华氏度)以下的低温时,通过测量绿光的吸收状况来获取更为精准的数据。而高温环境下,比如用户正在健身房里挥汗如雨时,皮肤表面水分增加,由于更多绿光已经被吸收掉,要检测皮下反射的绿光就比较困难,这时Apple Watch就转换到红外光模式。

这种用于血流检测的光学技术,专业上称为“光电容积脉搏波描记法(photoplethysmography)”,简称PPG。绿光PPG跟EKG(心电图)获取的数据更接近。

下图显示的是PPG测量结果和EKG、血压数据的对比情况。可以看出PPG技术上的优势,以及跟EKG数据更为匹配:

心脏平均每分钟跳(bpm)72下。运动过程中,肌肉需要更多氧气,心跳会加速来满足氧气供应;健身时,Apple Watch的心率感应器将心率数据显示在手腕的屏幕上,用户可以随时随地用Heart Rate Glance查看。

Apple Watch的绿光模式每分钟检测一次,而红外光模式每十分钟检测一次,收集用户的心率和脉冲等数据。信息和数据储存在健康应用中,帮助计算用户消耗的卡路里数量,还可以反映运动强度以及运动过程中的心率变化。

Apple Watch是如何检测心率的?

“光电容积脉搏波描记法(photoplethysmography)”的英文单词读起来难,但原理却简单:血液是红色的,反射红光,吸收绿光。Apple Watch结合绿色LED光跟感光光电二极管,检测特定时间手腕处流通的血液量。

心脏跳动的一瞬,手腕处流通的血液量增加,吸收更多绿光;而心跳间隙,吸收的绿光就少一些。Apple Watch上LED光每秒闪动数百次,计算出每分钟的心跳次数,也就是心率。

Apple Watch心率传感器的红外光模式每十分钟检测一次心率。倘若红外系统无法读取足够数据的话,Apple Watch就会自动转换到绿光模式。心率传感器还通过提高LED亮度和采样率来应对信号不足的情况。

正确佩戴方式有助于提高数据准确性

此前一直提到的数据一致性在目前情况下依然无法保证每时每刻都准确。即便在理想条件下,Apple Watch也不能次次保证所有用户都能得到准确的心率数据。一小部分用户的心率数据有可能受到诸多不确定因素的影响,比如表带的松紧度,带表的方式等。但有一些技巧可以帮助Apple Watch保持稳定的工作状态,提高数据准确性。

•手表松紧度

如果Apple Watch佩戴不当,传感器可能无法检测心率。解决方案是:稍稍上紧表带,达到舒适的松紧度即可。

•其他影响因素

其他因素也会影响Apple Watch心率传感器的正常工作,例如皮肤血流(skin perfusion)和运动状态(motion)。皮肤血流是指流经皮肤的血液量,因个人情况和环境影响产生差别,比如在寒冷的环境下健身时,手腕上的皮肤血流量可能过低,导致心率传感器无法读取数据;就运动状态而言,跑步或自行车等节律性运动相比网球和拳击等非节律性运动,更以获取准确的心率数据。

受到上述因素影响,心率传感器状态不稳定时,可将Apple Watch无线连接到外部的蓝牙胸带等心率检测器上。

心率只是Apple Watch用于评估用户运动健身状况的参数之一。Apple Watch会根据不同的健身项目选择最合适的参数。比如在室内跑步时,Apple Watch会采用加速计;在室外骑自行车时,采用iPhone里的GPS。即使用户一天下来并没有健身,Apple Watch也会追踪其他活动的状况。总而言之,Apple Watch不但提供信息,还鼓励通过健身来保持身形和健康。

耳朵脉搏血氧计采集的PPG数据,反映呼吸引起的振幅变化,很有代表性:

检测心率的过程

PPG是通过光学技术获取的体积描记图,测量特定器官的体积。脉搏血氧器将光线照射在皮肤上,获取反映光线吸收变化的数据,描绘出PPG。传统的脉搏血氧器检测真皮和皮下组织的血流量

每个心率周期(cardiac cycle)里,心脏跳动着将血液输送到心脏外围。虽然压力脉冲(pressure pulse)在触及皮肤的瞬间速度有所减缓,但足以使皮下组织的动脉和小动脉扩张。压力脉冲在脉搏血氧计不挤压皮肤的状态下以次峰的形式在静脉丛处体现。

将LED光线照射在皮肤上,再检测有多少光线传输或反射回光电二极管,以此法得到压力脉冲导致的血流量变化的数据,而皮肤血流量受多个生理系统调整。其他循环数据,如呼吸、血容量过低的状况也可在PPG中体现。检测对象不同,PPG的电子波形也会发生变化,且受到脉搏血氧计安装地点和方式的影响。

通过对比PPG中绿光和红外光的反射状况,以及ECG获取的数据,可以评估脉搏率测量的准确性。绿光和红外光的波长分别为525和880nm,实验在25摄氏度的环境中以及皮肤温度低于15摄氏度的条件下进行。反射绿光的PPG获取的脉搏率数据跟ECG RR间期、以及反射红外光的PPG进行了对比。结果显示,在两种温度下,绿光PPG和ECG获取的数据均有很高的关联度。绿光PPG比红外光PPG更具优势,尤其是在温度低于15摄氏度的情况下。

来源:CSDN

为你推荐

打破蛋白互作,璞诺智药完成近亿元天使轮融资资讯

打破蛋白互作,璞诺智药完成近亿元天使轮融资

本轮融资由华盖资本和博远资本共同领投,薄荷天使基金等专业投资机构跟投。

2026-03-11 21:21

百时美施贵宝宣布口服药物mezigdomide治疗复发或难治性多发性骨髓瘤Ⅲ期研究SUCCESSOR-2的积极结果资讯

百时美施贵宝宣布口服药物mezigdomide治疗复发或难治性多发性骨髓瘤Ⅲ期研究SUCCESSOR-2的积极结果

这是mezigdomide首项获得积极结果的Ⅲ期研究,也是百时美施贵宝CELMoD项目第二项获得积极成果的Ⅲ期研究

2026-03-11 21:15

备思复联合帕博利珠单抗使顺铂耐受的肌层浸润性膀胱癌患者的复发或死亡风险降低近 50%资讯

备思复联合帕博利珠单抗使顺铂耐受的肌层浸润性膀胱癌患者的复发或死亡风险降低近 50%

在 III 期临床研究 EV-304 中,该联合疗法显著改善患者总生存期与病理完全缓解率,超半数患者在手术时未检测到病灶

2026-03-11 13:17

降 HbA1c 超 2.5%且多重获益,华东医药国产降糖新药HDM1005降糖2期数据揭晓资讯

降 HbA1c 超 2.5%且多重获益,华东医药国产降糖新药HDM1005降糖2期数据揭晓

本次研究为一项在饮食和运动或二甲双胍治疗后血糖控制不佳的2型糖尿病受试者中评价HDM1005注射液有效性和安全性的多中心、随机、盲法、平行、安慰剂和阳性对照的Ⅱ期临床研究

2026-03-10 19:38

维适平®中国大陆首张处方落地,为中重度溃疡性结肠炎患者开启治疗新篇章资讯

维适平®中国大陆首张处方落地,为中重度溃疡性结肠炎患者开启治疗新篇章

标志着这款溃疡性结肠炎(UC)首个且唯一口服S1P受体调节剂正式进入中国临床应用阶段

2026-03-10 18:26

艾凯生物完成A3轮超亿元融资,加速AI驱动iPSC细胞治疗与类器官平台升级资讯

艾凯生物完成A3轮超亿元融资,加速AI驱动iPSC细胞治疗与类器官平台升级

本轮融资由知壹投资与沃杰资本联合领投,联新资本持续追加投资,资金将重点用于推进AI驱动的iPSC细胞治疗产品临床转化,加速完善iPSC细胞治疗与类器官两大核心技术平台布局。

2026-03-10 18:22

中科搏锐斩获数千万B轮融资,推动脑机接口全产业链产业化落地资讯

中科搏锐斩获数千万B轮融资,推动脑机接口全产业链产业化落地

本轮融资由国内知名投资机构三泽创投独家投资,凯乘资本担任长期独家财务顾问,所筹资金将全力支撑公司深化脑机接口全产业链布局,加速尖端技术的临床转化与产业化落地。

2026-03-10 18:03

第102批仿制药参比制剂目录资讯

第102批仿制药参比制剂目录

经国家药品监督管理局仿制药质量和疗效一致性评价专家委员会审核确定,现发布仿制药参比制剂目录(第一百零二批)。

2026-03-10 17:02

康方生物全球首创三抗获批临床试验资讯

康方生物全球首创三抗获批临床试验

3月9日,据CDE官网临床默示许可显示,康方生物(09926 HK)自主研发的注射用AK150正式获批临床,适应症为晚期实体瘤。

2026-03-10 16:16

入选不足4月,和黄医药申请将达唯珂移出首版商保创新药目录资讯

入选不足4月,和黄医药申请将达唯珂移出首版商保创新药目录

国家医疗保障局办公室今日发布通知,自2026年3月9日起,撤销氢溴酸他泽司他片(商品名:达唯珂)在全国各省级医药采购平台挂网资格,并根据企业申请,将该药品移出《商业健康保...

2026-03-09 22:09

港股通调入13家医药健康企业,调出5家资讯

港股通调入13家医药健康企业,调出5家

近日,上海证券交易所官网发布最新港股通标调整通知,共42家企业被调入港股通,其中生物医药、医疗健康企业调入13家。

2026-03-08 19:19

CDE:抗肿瘤药物生物等效性及药代动力学比对研究受试者人群选择考虑资讯

CDE:抗肿瘤药物生物等效性及药代动力学比对研究受试者人群选择考虑

本指导原则主要基于小分子化学药物及单抗类药物的研究经验,为抗肿瘤药物 BE PK 比对研究中受试者人群的选择考虑提供建议。

2026-03-07 10:59

四家知名药企被暂停军队采购资讯

四家知名药企被暂停军队采购

近日,军队采购网发布一批“军队采购暂停名单”,其中涉及四家药企被列入暂停名单,具体为北京费森尤斯卡比医药有限公司、齐鲁制药有限公司、宜昌人福药业有限责任公司和江苏新...

2026-03-07 10:41

全球首个基础胰岛素/GLP-1RA周制剂诺和杰在中国获批资讯

全球首个基础胰岛素/GLP-1RA周制剂诺和杰在中国获批

诺和杰此次在中国获批,使中国成为该药品全球首个商业上市的国家。

2026-03-06 18:03

中科易微完成Pre-A轮融资,全力推进先进外泌体抗衰产品研发与产业化落地资讯

中科易微完成Pre-A轮融资,全力推进先进外泌体抗衰产品研发与产业化落地

本轮融资由长春长兴基金独家战略投资

2026-03-06 15:03

赛核生物完成数千万天使+轮融资,加速推进创新核药研发和临床试验资讯

赛核生物完成数千万天使+轮融资,加速推进创新核药研发和临床试验

本轮融资由老股东冷杉溪资本领投,隆泰投资跟投

2026-03-06 14:45

新一代 cAMP 偏向型 GLP-1 受体激动剂埃诺格鲁肽(先维盈)获批用于中国成人体重管理资讯

新一代 cAMP 偏向型 GLP-1 受体激动剂埃诺格鲁肽(先维盈)获批用于中国成人体重管理

在一项大型III期临床研究中展现出具有临床意义的减重效果:治疗48周时,受试者的平均体重下降达15 4%,其中92 8%的受试者实现了5%以上的体重减轻。

2026-03-06 12:38

新型长效胰淀素受体激动剂获批中国临床资讯

新型长效胰淀素受体激动剂获批中国临床

Eloralintide 3 项全球关键 Ⅲ 期临床研究同步中国开展

2026-03-05 11:09

11.8亿美元!德琪医药自免TCE双抗ATG-201授权优时比资讯

11.8亿美元!德琪医药自免TCE双抗ATG-201授权优时比

德琪医药将其自主研发的CD19 CD3双特异性T细胞连接抗体(TCE)ATG-201的全球开发、生产及商业化独家权益授予优时比,用于治疗B细胞相关自身免疫性疾病。

2026-03-04 20:05

产品创新中的专利战略资讯

产品创新中的专利战略

专利作为制约竞争对手设计相同或类似产品的壁垒,成为保护创新的良好手段。

文/英国IDC总部董事总经理Stephen Knowles博士 2026-03-04 15:38