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

因药品生产存在严重缺陷,一药品被取消国家药品集采中选资格资讯

因药品生产存在严重缺陷,一药品被取消国家药品集采中选资格

近日,国家组织药品联合采购办公室发布公告,取消广州合和医药有限公司美索巴莫注射液中选资格,同时将广州合和医药有限公司和委托生产企业成都天台山制药股份有限公司列入违规...

2026-04-07 13:23

上海市药监局核发上海首张干细胞《药品生产许可证》资讯

上海市药监局核发上海首张干细胞《药品生产许可证》

近日,上海市药监局核发上海地区的首张干细胞《药品生产许可证》,上海爱萨尔生物医药股份有限公司也因此成为今年首位获该证的企业。

2026-04-07 11:56

甘李药业一款PROTAC药物完成临床试验I期首例入组资讯

甘李药业一款PROTAC药物完成临床试验I期首例入组

4月3日,甘李药业(603087 SH)发布公告称,其自主研发的GLR2037于近日成功完成Ⅰ期临床试验首例受试者给药。本次临床试验拟开展的适应症为晚期前列腺癌。

2026-04-05 19:55

人工智能公司 Anthropic 4亿美元收购生物科技初创公司Coefficient Bio资讯

人工智能公司 Anthropic 4亿美元收购生物科技初创公司Coefficient Bio

据国外多家媒体消息,人工智能公司Anthropic已以4亿美元收购了生物科技初创公司Coefficient Bio。

2026-04-05 19:30

众多行业顶级机构参与,益生菌千亿市场将迎大洗牌资讯

众多行业顶级机构参与,益生菌千亿市场将迎大洗牌

近日,国家市场监管总局就《保健食品原料 益生菌》国家标准向社会公开征求意见,意见反馈截至5月29日。该标准的制定填补了我国保健食品原料益生菌质量标准的空白,将从源头规范...

2026-04-05 18:56

无法保供,两家企业被取消国家集采药品中选资格并被列入违规名单资讯

无法保供,两家企业被取消国家集采药品中选资格并被列入违规名单

4月3日,国家组织药品联合采购办公室发布公告,取消2个国家组织药品集采中选药品中选资格并将相关企业列入违规名单。

2026-04-04 17:13

诺和诺德发布Wegovy片剂相较于orforglipron间接治疗比较结果资讯

诺和诺德发布Wegovy片剂相较于orforglipron间接治疗比较结果

当地时间4月2日,诺和诺德宣布将在圣迭戈举行的肥胖医学协会年会上展示ORION研究结果。

2026-04-03 23:09

自4月起,国家医保局开展医保药品领域违法违规问题专项行动资讯

自4月起,国家医保局开展医保药品领域违法违规问题专项行动

专项行动开始时间为自2026年4月起,分为两个阶段,第一阶段为2026年4月至7月,第二阶段为2026年9月至11月。国家医保局将于2026年4月初和9月初分别下发一批药品追溯码重复结算疑点线索。

2026-04-03 13:24

上海交大携手蚂蚁健康,发起成立“AI4HealthCare联合实验室”资讯

上海交大携手蚂蚁健康,发起成立“AI4HealthCare联合实验室”

近日,上海交通大学人工智能学院与蚂蚁健康在上海签署合作协议,将共同发起“AI4HealthCare联合实验室”,围绕医疗领域专科智能体的研发、临床适配应用等开展联合攻坚。

2026-04-03 12:45

美赛生物完成超 1.5 亿人民币 A 轮融资,巨噬细胞靶向药物研发加速推进资讯

美赛生物完成超 1.5 亿人民币 A 轮融资,巨噬细胞靶向药物研发加速推进

本轮融资由康君资本领投,宏沣投资、瑞华资本、行业头部投资机构和知名产业基金共同参与,舟渡资本担任独家财务顾问。

2026-04-03 11:22

耀速科技完成超2亿元A轮融资,AI+器官芯片赋能新药研发新范式资讯

耀速科技完成超2亿元A轮融资,AI+器官芯片赋能新药研发新范式

本轮融资由国寿股权独家领投,老股东晶泰科技、雅亿资本、君联资本持续加码,资金将重点投入下一代生物智能基础设施构建,加速技术产业化落地,推动新药研发范式革新。

2026-04-03 11:15

Orforglipron获批背后:FDA“优先审评券”首迎新分子实体资讯

Orforglipron获批背后:FDA“优先审评券”首迎新分子实体

根据FDA发布的信息,Orforglipron是在“局长国家优先审评券(Commissioner s National Priority Voucher,CNPV)”试点项目下获得批准的第五款药物,也是该项目下首个获批的新分子实体。

2026-04-03 11:04

加速增长:拜耳处方药史上最强的产品组合和前景广阔的研发管线资讯

加速增长:拜耳处方药史上最强的产品组合和前景广阔的研发管线

2025年创下纪录,获得五项首次获批(三项新产品获批、两项新适应症获批),以及六项积极III期临床试验结果,预计2026年将在重点治疗领域取得多项关键研发管线里程碑

2026-04-02 13:03

FDA批准礼来GLP-1口服药物上市资讯

FDA批准礼来GLP-1口服药物上市

美国当地时间4月1日,礼来宣布美国食品药品监督管理局(FDA)已批准其GLP-1口服药物上市。

2026-04-02 09:04

国家卫健委:基层医疗卫生机构医疗质量改善三年行动方案(2026—2028年)资讯

国家卫健委:基层医疗卫生机构医疗质量改善三年行动方案(2026—2028年)

紧密型县域医共体牵头医院负总责,乡镇卫生院(社区卫生服务中心)主要负责人是第一责任人;“区社一体”牵头医院负总责,社区卫生服务中心主要负责人是第一责任人。

2026-04-01 21:49

傍云医疗完成近亿元天使轮融资,加速高端伤口缝合国产替代与全球创新资讯

傍云医疗完成近亿元天使轮融资,加速高端伤口缝合国产替代与全球创新

本轮融资由道彤投资领投,金鼎资本跟投,所募资金将全面用于高端伤口闭合耗材的产能扩建、核心原料国产化攻关、全球首创创新产品研发及商业化推进,加速推动中国高端伤口缝合产...

2026-03-31 12:48

第103批仿制药参比制剂目录资讯

第103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(第一百零三批)。

2026-03-31 09:13

《传奇之路:原发性肝癌的100 个科学问题》新书在京隆重首发资讯

《传奇之路:原发性肝癌的100 个科学问题》新书在京隆重首发

汇聚中国智慧,剑指15%生存率提升

2026-03-30 18:57