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

糖尿病治疗1类创新药奥洛格列净胶囊获批资讯

糖尿病治疗1类创新药奥洛格列净胶囊获批

1月16日,国家药监局官网信息显示,近日,国家药品监督管理局批准宜昌东阳光长江药业股份有限公司申报的1类创新药奥洛格列净胶囊(商品名:东泽安)上市,该药适用于改善成人2型...

2026-01-17 23:20

CDE:中药复方制剂新药研发人用经验收集整理技术指导原则(试行)资讯

CDE:中药复方制剂新药研发人用经验收集整理技术指导原则(试行)

人用经验是“三结合”中药注册审评证据体系的重要环节。如何产生可评价的人用经验、怎样收集整理人用经验数据,对于筛选确定临床有效处方、合理利用人用经验支持后续研发及决策...

2026-01-16 21:09

强生医疗科技签署战略合作协议,深化神经介入本土创新布局资讯

强生医疗科技签署战略合作协议,深化神经介入本土创新布局

与畅医达合作再升级,加速创新颅内介入解决方案惠及中国患者

2026-01-16 10:53

赛诺菲连续六年荣登“中国杰出雇主”榜首资讯

赛诺菲连续六年荣登“中国杰出雇主”榜首

以系统化人才战略,构筑面向未来的组织能力

2026-01-16 10:37

国家药监局:3月1日起,化学药品和生物制品全面实施药品电子通用技术文档申报资讯

国家药监局:3月1日起,化学药品和生物制品全面实施药品电子通用技术文档申报

在受理审查环节,对采用eCTD方式申报的药品注册申请单独排队,3日内完成受理审查。

2026-01-15 22:57

国家医保局再发布两起行贿案例资讯

国家医保局再发布两起行贿案例

继发布《医药咨询服务企业涉商业贿赂案》和《党某海犯非国家工作人员受贿罪案​》后,国家医保局再次发布《慈某龙行贿案》和《重庆康荣医疗设备有限公司涉商业贿赂案》。

2026-01-15 11:49

因美纳推出“十亿细胞图谱”,加速人工智能与药物发现资讯

因美纳推出“十亿细胞图谱”,加速人工智能与药物发现

该图谱将以空前规模用于遗传靶点验证与 AI 模型训练

2026-01-14 20:14

阿斯利康收购AI制药公司Modella AI资讯

阿斯利康收购AI制药公司Modella AI

美东时间,本周二,阿斯利康在摩根大通医疗保健大会上宣布,已收购总部位于波士顿的Modella AI,这是首次有大型制药公司全面吸收一家专业人工智能公司。

2026-01-14 17:21

甘李药业甘精胰岛素获欧盟上市许可,将于赛诺菲同台竞争资讯

甘李药业甘精胰岛素获欧盟上市许可,将于赛诺菲同台竞争

1月14日,甘李药业盘后发布公告,甘李药业股份有限公司及其欧洲全资子公司甘李药业欧洲有限责任公司(Gan & Lee Pharmaceuticals Europe GmbH,以下简称“甘李欧洲”)于近...

2026-01-14 16:52

第六批国家高值医用耗材集采药物涂层球囊类、泌尿介入类中选结果公示资讯

第六批国家高值医用耗材集采药物涂层球囊类、泌尿介入类中选结果公示

1月14日,国家组织高值医用耗材联合采购办公室发布国家组织药物涂层球囊类、泌尿介入类医用耗材集中带量采购中选结果公示,即第六批国家高值医用耗材集采。

2026-01-14 14:44

中国生物制药12亿元收购小核酸药物研发企业赫吉亚生物资讯

中国生物制药12亿元收购小核酸药物研发企业赫吉亚生物

1月14日,中国生物医药发布公告,收购国内小核酸药物研发企业赫吉亚生物。

2026-01-14 11:29

英伟达与礼来将联合投资10亿美元成立一个AI药物研发实验室资讯

英伟达与礼来将联合投资10亿美元成立一个AI药物研发实验室

英伟达与制药公司礼来宣布,将联合投资10亿美元在旧金山成立一个AI药物研发实验室,以加速药物研发进程。

2026-01-14 10:42

CDE:单臂临床试验用于支持抗肿瘤药物常规上市申请技术指导原则资讯

CDE:单臂临床试验用于支持抗肿瘤药物常规上市申请技术指导原则

目前大部分基于 SAT 结果获批附条件上市的抗肿瘤药物是以 RCT 作为确证性研究。在某些情况下,难以采用需要较大样本量的 RCT 进行确证性研究,可以采用一些新的临床研发模...

2026-01-13 16:58

礼来口服小分子减肥GLP-1R激动剂国内申报上市资讯

礼来口服小分子减肥GLP-1R激动剂国内申报上市

近日,据CDE网站显示,礼来的小分子GLP-1R激动剂奥氟格列隆(Orforglipron)已在华申报上市。

2026-01-13 13:10

强生医疗科技旗下傲诺拉星钻乳房假体在中国正式上市资讯

强生医疗科技旗下傲诺拉星钻乳房假体在中国正式上市

2026年1月13日,强生医疗科技宣布旗下傲诺拉星钻乳房假体在中国正式上市。

2026-01-13 12:43

又一款PD-1/VEGF出海,最高48亿美元里程碑付款资讯

又一款PD-1/VEGF出海,最高48亿美元里程碑付款

1月12日,荣昌生物宣布,与艾伯维就其自主研发的新型靶向PD-1 VEGF双特异性抗体药物RC148签署独家授权许可协议。根据协议,艾伯维将获得RC148在大中华区以外地区的独家开发、生...

2026-01-13 11:52

医药咨询服务企业涉商业贿赂案资讯

医药咨询服务企业涉商业贿赂案

2025年4月,上海市普陀区市场监督管理局在日常线索排查中发现上海海怡莱企业咨询管理合伙企业(从事药品市场营销策划的经营单位)在上海地区开展市场服务过程中,涉嫌实施商业贿赂...

2026-01-12 23:19

调研:三甲医生大调查,真人医生怎么看AI医生资讯

调研:三甲医生大调查,真人医生怎么看AI医生

调研结果显示,超七成受访医生表示愿意推荐大众使用AI医生,用以解决日常基础的健康疑问,62%的受访医生已经在使用AI医生辅助自己工作,90%的受访医生表示看好AI医生的未来发展。

2026-01-12 15:38

党某海犯非国家工作人员受贿罪案资讯

党某海犯非国家工作人员受贿罪案

公诉机关指控,2012年至2023年期间,被告人党某海在担任双丰林业局职工医院内科医生期间,利用开具处方的职务便利,收受多家医药公司业务员和销售经理给予的药品回扣款。

2026-01-12 15:29

华东医药3靶点GLP-1类在研药物被纳入突破性治疗品种资讯

华东医药3靶点GLP-1类在研药物被纳入突破性治疗品种

DR10624 是道尔生物自主研发的一款靶向FGF21R、GCGR、GLP-1R 的长效三特异性激动剂,分别于2023年10月及2025年10月获得中国CDE以及美国FDA批准开展针对sHTG的临床研究。

2026-01-11 19:38