手环测心率的原理是什么？
手环测量心率这事儿，说起来挺有意思，它主要依靠咱们手腕上那点儿“小动作”来完成的。别看它是个小小的穿戴设备，背后却藏着不少学问呢。
你有没有留意过，咱们的手环背面，尤其是接触皮肤的那部分，通常会有几个小小的、通常是绿色的灯？那些可不是装饰品，它们是这手环心率监测功能的“眼睛”。
核心原理：光电容积脉搏波描记法（PPG）
这个名字听起来有点拗口，但拆开来理解就清晰了。PPG，顾名思义，就是“用光来测量因为血压变化引起的体积脉搏的波形”。
说得再直白点就是：
1. 光线穿透与反射： 手环里的LED灯会发出特定波长的光，通常是绿色光。这绿光会穿透咱们的手腕皮肤，进入皮下组织。
2. 血液的“吸光”魔法： 咱们的血液里有个重要的成分——血红蛋白。当血液流经血管时，血红蛋白会吸收光线。关键在于，动脉里的血液量是随着心脏每一次跳动而变化的。当心脏收缩，把血液泵出去的时候，动脉里的血量就增多；当心脏舒张，准备下一次泵血的时候，动脉里的血量就相对减少。
3. 光线反射的变化： 因此，当血量增多时，更多的光会被血液吸收，反射回来的光就少一些。当血量减少时，被吸收的光就少，反射回来的光就多一些。
4. 光传感器的“捕捉”： 手环上还有一个光传感器（通常是光电二极管），它的任务就是捕捉被皮肤反射回来的这些光线。这个传感器会非常灵敏地记录下光线强弱的变化。
5. 解读“脉搏信号”： 传感器接收到的光强变化信号，其实就是咱们血管里血液体积周期性变化的“影子”。心脏跳动一次，血液量有个小高峰，对应的就是一次反射光强的小低谷（因为被吸收的多）；两次跳动之间，血液量回落，反射光强就相对升高。把这些光强的周期性变化描绘出来，就形成了一个波形，我们称之为“光电容积脉搏波”。
从波形到心率
现在，手环里的芯片就开始“工作”了。它会分析这个光电容积脉搏波的波形，找到其中周期性的起伏。
识别一个“心跳周期”： 芯片会精确地计算出从一个波峰（或波谷）到下一个对应波峰（或波谷）之间的时间间隔。这个时间间隔就代表了一个心跳周期。
计算心率： 心率通常是以“每分钟跳多少次”来衡量的，单位是BPM（Beats Per Minute）。如果它测出来一个心跳周期是0.8秒，那么一分钟（60秒）就能跳 60秒 / 0.8秒/次 = 75次。这样，手环就能告诉你，你当前的心率是75次/分钟。
为什么是绿光？
你可能会问，为什么通常用绿光呢？这是有原因的。
对血液吸收最佳： 绿色光对于血红蛋白的吸收效率是比较高的，比红光或红外光在穿透皮肤和被血液吸收方面有更好的平衡。
穿透力适中： 它既有足够的穿透力去到血管层，又不会穿透得太深而完全丢失反射信号。
避开皮肤其他成分干扰： 相对于其他波长，绿色光对皮肤黑色素和其他组织的吸收干扰相对较小，更容易提取出与血液量变化相关的有效信号。
影响测量准确性的因素
虽然原理听起来简单，但实际测量中会受到不少因素的影响：
佩戴松紧度： 手环戴得太松，光线容易从缝隙泄露，也容易晃动，导致信号不稳定。戴得太紧，又可能压迫血管，影响血液流动，甚至引起不适。所以，找到一个“刚刚好”的松紧度很重要。
手腕活动： 当你大幅度活动手腕时，比如做剧烈运动，血管的搏动会受到肌肉运动和体位变化的影响，而且手环本身也容易晃动，这些都会干扰PPG信号，导致测量不准，甚至无法测量。一些高端手环会加入加速度计来辅助判断运动状态，并在剧烈运动时调整测量策略或提示用户。
皮肤温度和血流： 手腕的温度较低或者血流不畅时（比如冷天），浅层血管的搏动可能不那么明显，影响测量。
肤色深浅： 虽然绿色光对皮肤成分的吸收干扰相对较小，但非常深的肤色理论上也会吸收更多的光线，对测量有一定影响，不过现代算法已经大大优化了这一点。
纹身： 手腕上的纹身，尤其是深色墨水，可能会吸收光线，干扰测量结果。
总结一下：
手环测量心率，就是利用手环上的绿光照射手腕皮肤，然后通过光传感器捕捉因心脏跳动导致血管内血量周期性变化而产生的反射光强变化。通过分析这些光强变化的周期，计算出每分钟心脏跳动的次数，也就是心率。这就像是把血液流动的“节奏”转化成了光线的“语言”，然后让芯片读懂它。这个过程看似微小，但却是现代科技将生物信号转化为可读数据的精彩体现。
你有没有留意过，咱们的手环背面，尤其是接触皮肤的那部分，通常会有几个小小的、通常是绿色的灯？那些可不是装饰品，它们是这手环心率监测功能的“眼睛”。
核心原理：光电容积脉搏波描记法（PPG）
这个名字听起来有点拗口，但拆开来理解就清晰了。PPG，顾名思义，就是“用光来测量因为血压变化引起的体积脉搏的波形”。
说得再直白点就是：
1. 光线穿透与反射： 手环里的LED灯会发出特定波长的光，通常是绿色光。这绿光会穿透咱们的手腕皮肤，进入皮下组织。
2. 血液的“吸光”魔法： 咱们的血液里有个重要的成分——血红蛋白。当血液流经血管时，血红蛋白会吸收光线。关键在于，动脉里的血液量是随着心脏每一次跳动而变化的。当心脏收缩，把血液泵出去的时候，动脉里的血量就增多；当心脏舒张，准备下一次泵血的时候，动脉里的血量就相对减少。
3. 光线反射的变化： 因此，当血量增多时，更多的光会被血液吸收，反射回来的光就少一些。当血量减少时，被吸收的光就少，反射回来的光就多一些。
4. 光传感器的“捕捉”： 手环上还有一个光传感器（通常是光电二极管），它的任务就是捕捉被皮肤反射回来的这些光线。这个传感器会非常灵敏地记录下光线强弱的变化。
5. 解读“脉搏信号”： 传感器接收到的光强变化信号，其实就是咱们血管里血液体积周期性变化的“影子”。心脏跳动一次，血液量有个小高峰，对应的就是一次反射光强的小低谷（因为被吸收的多）；两次跳动之间，血液量回落，反射光强就相对升高。把这些光强的周期性变化描绘出来，就形成了一个波形，我们称之为“光电容积脉搏波”。
从波形到心率
现在，手环里的芯片就开始“工作”了。它会分析这个光电容积脉搏波的波形，找到其中周期性的起伏。
识别一个“心跳周期”： 芯片会精确地计算出从一个波峰（或波谷）到下一个对应波峰（或波谷）之间的时间间隔。这个时间间隔就代表了一个心跳周期。
计算心率： 心率通常是以“每分钟跳多少次”来衡量的，单位是BPM（Beats Per Minute）。如果它测出来一个心跳周期是0.8秒，那么一分钟（60秒）就能跳 60秒 / 0.8秒/次 = 75次。这样，手环就能告诉你，你当前的心率是75次/分钟。
为什么是绿光？
你可能会问，为什么通常用绿光呢？这是有原因的。
对血液吸收最佳： 绿色光对于血红蛋白的吸收效率是比较高的，比红光或红外光在穿透皮肤和被血液吸收方面有更好的平衡。
穿透力适中： 它既有足够的穿透力去到血管层，又不会穿透得太深而完全丢失反射信号。
避开皮肤其他成分干扰： 相对于其他波长，绿色光对皮肤黑色素和其他组织的吸收干扰相对较小，更容易提取出与血液量变化相关的有效信号。
影响测量准确性的因素
虽然原理听起来简单，但实际测量中会受到不少因素的影响：
佩戴松紧度： 手环戴得太松，光线容易从缝隙泄露，也容易晃动，导致信号不稳定。戴得太紧，又可能压迫血管，影响血液流动，甚至引起不适。所以，找到一个“刚刚好”的松紧度很重要。
手腕活动： 当你大幅度活动手腕时，比如做剧烈运动，血管的搏动会受到肌肉运动和体位变化的影响，而且手环本身也容易晃动，这些都会干扰PPG信号，导致测量不准，甚至无法测量。一些高端手环会加入加速度计来辅助判断运动状态，并在剧烈运动时调整测量策略或提示用户。
皮肤温度和血流： 手腕的温度较低或者血流不畅时（比如冷天），浅层血管的搏动可能不那么明显，影响测量。
肤色深浅： 虽然绿色光对皮肤成分的吸收干扰相对较小，但非常深的肤色理论上也会吸收更多的光线，对测量有一定影响，不过现代算法已经大大优化了这一点。
纹身： 手腕上的纹身，尤其是深色墨水，可能会吸收光线，干扰测量结果。
总结一下：
手环测量心率，就是利用手环上的绿光照射手腕皮肤，然后通过光传感器捕捉因心脏跳动导致血管内血量周期性变化而产生的反射光强变化。通过分析这些光强变化的周期，计算出每分钟心脏跳动的次数，也就是心率。这就像是把血液流动的“节奏”转化成了光线的“语言”，然后让芯片读懂它。这个过程看似微小，但却是现代科技将生物信号转化为可读数据的精彩体现。
网友意见
目前运动手环多数是通过测量反射光来监测心跳，具体过程如下：手环将一束光打在皮肤上，当心脏泵血时，血管中充满血液。血液倾向于吸收绿光反射红光，因此心脏在收缩和舒张时会产生颜色不同的反射光，手环正是通过检测这些反射光来记录心率的。
可以看出想要有效使用手环监测心率需要正确佩戴才行，不能有漏光、还要保证佩戴处血流通畅。
By Nothing 中科院物理所
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