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

老百姓大药房、养天和等部分药店被曝涉嫌违规使用医保资金资讯

老百姓大药房、养天和等部分药店被曝涉嫌违规使用医保资金

近日,老百姓大药房、养天和等部分药店被曝涉嫌违规使用医保资金。

2026-04-22 21:19

华东医药独家商业化产品CXG87上市申请获受理,呼吸治疗赛道布局深化资讯

华东医药独家商业化产品CXG87上市申请获受理,呼吸治疗赛道布局深化

华东医药股份有限公司(以下简称“华东医药”或“公司”)全资子公司华东医药(杭州)有限公司独家商业化产品CXG87(布地奈德福莫特罗吸入粉雾剂(IV)胶囊型)用于治疗哮喘的药...

2026-04-22 17:53

瞳沐医疗完成数千万元 Pre-A 轮融资,加速眼科智能手术系统临床落地资讯

瞳沐医疗完成数千万元 Pre-A 轮融资,加速眼科智能手术系统临床落地

本轮融资由爱博弘盛、启航创投联合领投,明恒美康跟投,丰和资本担任独家财务顾问。

2026-04-22 10:32

指南更新,巨星发声:医疗创新与公众教育双轮驱动OSA诊疗革新资讯

指南更新,巨星发声:医疗创新与公众教育双轮驱动OSA诊疗革新

日前,中国《成人阻塞性睡眠呼吸暂停诊治指南(2025)》发布,首次系统性引入药物治疗——GIP GLP-1双受体激动剂替尔泊肽获最高级别推荐,用于合并肥胖症的中至重度阻塞性睡眠...

2026-04-22 10:04

第104批仿制药参比制剂目录资讯

第104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(第一百零四批)。

2026-04-22 09:26

江苏2025年癌症发病情况资讯

江苏2025年癌症发病情况

近日,江苏省发布2025年癌症发病情况数据。据2025年最新肿瘤监测数据显示,江苏省癌症发病率为392 84 10万,较2024年(380 50 10万)增长3 24%。同期江苏全省癌症死亡率为2...

2026-04-21 16:39

中国生物制药发布了其PD-1/VEGF双抗的初步临床试验数据资讯

中国生物制药发布了其PD-1/VEGF双抗的初步临床试验数据

4月19日,中国生物制药发布了其PD-1 VEGF双抗(药物研发代号为MK-2010 LM-299)的初步临床试验数据。

2026-04-21 13:25

天境生物将菲泽妥单抗大中华区权益转售给渤健资讯

天境生物将菲泽妥单抗大中华区权益转售给渤健

4月20日,天境生物(TJ Biopharma)与渤健(Biogen,纳斯达克代码:BIIB)共同宣布,双方已达成一项最终协议,渤健将从天境生物获得菲泽妥单抗的大中华区(包括中国大陆、香港...

2026-04-21 11:00

云顶新耀发布EVM16个性化肿瘤治疗性疫苗首次人体临床试验数据资讯

云顶新耀发布EVM16个性化肿瘤治疗性疫苗首次人体临床试验数据

4月20日,云顶新耀在2026年美国癌症研究协会(AACR)年会上公布了其自主研发的mRNA个性化肿瘤治疗性疫苗EVM16单药治疗及联合PD-1抑制剂(替雷利珠单抗 百济神州)治疗晚期实体...

2026-04-21 09:15

剂泰科技通过港交所聆讯,携全球首个 AI 纳米递送平台冲刺 资讯

剂泰科技通过港交所聆讯,携全球首个 AI 纳米递送平台冲刺 "AI 药物递送第一股"

剂泰科技成立于 2020 年,由美国工程院院士陈红敏博士以及 MIT 科学家赖才达博士、王文首博士联合创立,是一家专注于 AI 驱动纳米材料创新的高科技企业。

2026-04-20 17:25

飞眸医疗完成近亿元天使轮融资,加速打造国际领先个性化全飞秒屈光系统平台资讯

飞眸医疗完成近亿元天使轮融资,加速打造国际领先个性化全飞秒屈光系统平台

近日,深圳市飞眸医疗器械技术有限公司(以下简称 "飞眸医疗")正式宣布完成近亿元天使轮融资,本轮融资由元生创投领投,清科控股、清科大

2026-04-20 17:18

倍乐锐(注射用玛贝兰妥单抗)获批用于治疗二线及以上多发性骨髓瘤成年患者资讯

倍乐锐(注射用玛贝兰妥单抗)获批用于治疗二线及以上多发性骨髓瘤成年患者

与达雷妥尤单抗的三联疗法相比,倍乐锐®联合治疗方案可降低死亡风险42%,并延长中位无进展生存期近三倍。

2026-04-20 16:58

礼来计划24亿美元收购体内CAR-T公司资讯

礼来计划24亿美元收购体内CAR-T公司

据国外媒体消息,礼来公司正筹划收购Kelonia Therapeutics公司。交易金额月24亿美元。

2026-04-20 10:51

818政策落地细则,如何临床转化应用细则征求意见稿发布资讯

818政策落地细则,如何临床转化应用细则征求意见稿发布

4月19日,备受业内关注的“818政策”终于迎来了第一份实施细则。国家卫健委正式对外发布《生物医学新技术临床转化应用审批工作规范(征求意见稿)》。

2026-04-19 23:51

破解艾滋病早筛难题,总核酸即时检测方案赋能HIV早发现早诊断资讯

破解艾滋病早筛难题,总核酸即时检测方案赋能HIV早发现早诊断

2026年4月19日,第十一届全国艾滋病学术大会在重庆举办,艾滋病检测与诊断分会同期召开。

2026-04-19 21:21

长春高新口服小分子生长激素再获新适应症IND资讯

长春高新口服小分子生长激素再获新适应症IND

近日,长春高新发布公告,子公司长春金赛收到国家药品监督管理局核准签发的《药物临床试验批准通知书》,金赛药业GS3-007a干混悬剂境内生产药品注册临床试验申请获得批准。受理...

2026-04-19 16:02

礼来安妥来利和安妥来(米吉珠单抗)在华正式上市资讯

礼来安妥来利和安妥来(米吉珠单抗)在华正式上市

开启炎症性肠病精准靶向治疗新篇章

2026-04-18 19:26

CDE:药物临床试验申请临床评价技术指导原则资讯

CDE:药物临床试验申请临床评价技术指导原则

本指导原则适用于化学药品和治疗用生物制品临床试验申请的评价。

2026-04-18 11:01

最新发布,医院中药饮片管理规范(2026版)资讯

最新发布,医院中药饮片管理规范(2026版)

本规范自发布之日起施行,2007年8月1日国家中医药局和原卫生部发布的《医院中药饮片管理规范》同时废止。

2026-04-18 10:12

OpenAI 发布首款药物研发专用 AI 模型 GPT-Rosalind资讯

OpenAI 发布首款药物研发专用 AI 模型 GPT-Rosalind

不同于通用大模型,GPT-Rosalind 是 OpenAI 首个针对单一行业构建的前沿推理模型

2026-04-17 15:33