技术人文 | 可穿戴设备健康监测技术 _手环

随着大众健康意识的普遍提高，能在日常中随时、随地了解自己或家人身体状态的需求也越来越强烈。智能手环就成为了许多人的首?。喽杂谛枰ㄒ狄搅粕璞敢约坝写吹慕】导嗖夥绞剑?手环设备具有小巧便携、佩戴方式简单、无创连续监测的优势。
在8月14日小米新品发布会中，小米手环 8 Pro正式发布，在屏幕尺寸、显示、功能等方面有了全新升级，更是在健康监测上下足了功夫，做到手表级的精确监测。
那小小的手环究竟是如何得知你的身体状态的呢？
01
心率监测和光电容积描记技术
经常佩戴手环的小伙伴就会发现，手环背部有时会闪烁灯光，这其实就是手环健康监测功能正在运行的表现。闪烁的LED灯，与它旁边接收光信号的光电二极管，共同构成了健康监测模组的核心。
而健康监测的具体实现，则是利用光电容积描记技术（-graph，PPG）。不同于心电图等专业的医疗设备借由电信号或体内设备植入来进行监测，PPG是利用光信号，以无创的方式反映出人体的心率和血氧情况，这个技术已经普遍应用于可穿戴设备之中。
讲到健康监测，大家第一时间想到的就是心率，那么，光电容积描记技术是怎样利用光来完成心率监测的呢？
首先，硬件模组中的LED灯将向皮肤组织发射一组光信号。这些光信号经过人体血液和组织的吸收之后，会有一部分光被反射回来，并被模组中的光电二极管接收和处理。而由于血液对绿色光的吸收效果更好，能更好捕捉血液流量的变化，因此心率监测通常是使用波长在525-540nm之间的绿色光。
（图：光电容积描记技术原理）
在监测时，因为皮肤、肌肉、骨骼等组织对光的吸收基本稳定，但心脏则会有节律的搏动，血液量也呈现规律性的变化，这就导致血液对光的吸收发生周期性改变。也因此当我们心脏收缩时，血管内血流量增大，对光的吸收量也就增多，使反射回来的光信号较弱；而当心脏舒张时，血管内血流量变小，反射回来的光信号则会变强。
当光电二极管接收到的这样周期性变化的光信号后，就可以将其转变成电信号，并利用模数转换器，转化为数字信号，最终得到心脏收缩和心脏舒张这个过程中的PPG信号的起伏，也就是脉搏波。
（图：心率监测运行时的PPG信号）
理想状态下， PPG信号中会有较为明显的脉搏波，且有着和心电图类似的周期变化，这种情况下计算心跳间隔，即可推算出心率。在安静的情况下，通过心跳周期的波动变化，即心率变异性（HRV），还可以进行压力的推算，这也是压力监测的基础。
但在运动干扰以及佩戴不正确导致传感器受到外界光的影响时， PPG信号可能会包含很多噪声，对心率的计算造成很大影响，这就需要通过一些数字信号处理的技术滤除其中的噪声成分，并结合机器学习或者深度学习模型，基于处理后的信号，进行心率的推断，如着重信号处理的频谱追踪类算法，或者着重深度学习的端到端的降噪-回归模型类算法。
02
【技术人文 | 可穿戴设备健康监测技术】血氧监测

文章插图
在了解心率监测的原理后，那血氧又是如何监测的呢？其实血氧监测与心率监测同样利用了光电容积描记技术。
血氧监测功能主要监测的就是血氧饱和度。在血液中，负责携带和输送氧气到人体各个部位的成分为红细胞内的特殊蛋白质——血红蛋白，血红蛋白中，可以携带氧气的是氧合血红蛋白（HbO?），不携带氧气的则是还原血红蛋白（Hb），而氧合血红蛋白占全部可结合的血红蛋白中的比例，就是我们常说的血氧饱和度。
与心率监测使用绿色光不同，血氧监测常使用的是红光和红外光，这是由于血红蛋白中含有的氧气水平，会影响血液对红光和红外光的吸收。其中氧气饱和的血红蛋白会吸收更多的红外光，没有氧气的血红蛋白会吸收更多的红光，这就导致了血液中还原血红蛋白和氧合血红蛋白对红外光和红光的吸收比率不同。
（图：氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白在不同波长光下的吸收系数）
因此，血氧监测通常需要用红外光和红光两个LED灯同时照射皮肤，测量反射光的吸收光谱，在修正血液以外组织对两种光不同吸收程度的差异，让两种光信号能够在同一标准进行比较后，再通过公式换算，测量出相应的血氧饱和度值。
（图：血氧监测运行时的PPG信号）
03
双通道监测模组
然而，与许多专业的医疗监测设备相比，利用光电信号探测的方式，不可避免地会受到佩戴缝隙、环境光与运动移位等外在环境的干扰。佩戴者本人的肤色、毛发、纹身等因素，同样会影响手环的监测结果。
面对此种挑战，小米手环 8 Pro中特别升级了双通道监测模组。有两组前端硬件模组同时运行，可以防止单通道模组在使用过程中贴合不紧密导致的信号遗失或噪声问题，也可以通过两组数据的拟合，得到更精准的数据模型基础，从而使得捕获的心率、血氧数据更加精确。和前一代手环相比，小米手环 8 Pro在心率准确率上提升了10%，在血氧的准确率上提升了5% 。
（图：小米手环 8 Pro双通道监测模组）
不仅如此，小米手环 8 Pro还可以提供全面的健康监测功能，除了单纯的监测外，还提供了监测异常状况的提醒，全天候的心脏健康监测，就可以提前发现一些偶发性、短时间的房颤等心脏问题，提前识别风险，及时进行专业治疗。而在血氧饱和度小于90%的低血氧状态下，手环也会自动发送通知，提醒你进行注意，避免低血氧状态对心血管和呼吸系统产生的危害。
而在心率和血氧监测提醒的基础之上，手环还支持全天压力监测和呼吸训练，当你感到疲惫和有压力的时候，不妨跟随指引进行呼吸，适度的放松才能走更长远的路。
（图：小米手环 8 Pro全天候压力监测与呼吸训练界面）
04
独立GNSS芯片：运动别再带手机而在监测健康的同时，运动更是维持健康的不二法门。在小米手环8 Pro搭载了150+种运动模式，并且内置了独立GNSS芯片，在与手机搭配定位的同时，更可以进行独立定位，将运动轨迹展示在手环上。在小米运动健康APP的户外跑步记录中，更可以看到实景地图，更直观地记录下你运动的每一秒。
（图：小米手环 8 Pro户外跑步实景轨迹功能）
除此之外，小米手环 8 Pro内还有腕上跑步课程，不同的课程有不同的运动时间、建议心率范围，并且通过亮屏和震动进行提示，有了更直观的跑步指导。如果不想要在运动前手动选择运动模式，手环中的运动自识别还可以自动检测你在进行的运动，进入对应的模式，帮助我们建立良好的运动习惯。
（图：小米手环 8 Pro跑步课程功能界面）
05
大屏幕：多元信息自由布局
面对如此多元的功能，最重要的还是如何在使用的过程中，让用户更清晰地获取需要的信息。小米手环 8 Pro采用了1.74''高清彩屏，是小米手环系列至今屏幕最大的一款，不同于小屏幕的手环，在大屏幕下，手环不再只是单调地展示各个数字，更能够将各类图表搬到上面，在运动模块中，你甚至还可以在手环上展示真人教练课程，为你提供热身和拉伸的动作指导。
（图：小米手环 8 Pro真人教练课程）
除此之外，小米手环 8 Pro的自定义小组件功能，可以通过自由调整小组件，在手环上显示自己的常用功能组合，心率、血氧、睡眠等信息都可以整合到一屏之间。不仅可以承载更多信息，更有利于老人家观看自己的健康数据，无需复杂的操作，只需要轻轻一滑，健康信息就一览无余。
（图：小米手环 8 Pro小组件页面）
随着PPG的普遍应用与技术更新，可穿戴设备的健康监测功能也在不断升级和完善。但是其相比于专业医疗设备，还是存在一定的差距。因此，我们也在不断地思考如何提高可穿戴设备的功能性，增加更多的健康监测模式、提高精度等等。
同时，我们也在与更专业的机构共同探索可穿戴设备的可能性，也欢迎更多对于手环的畅想，你希望手环还能做到哪些功能呢？在评论区告诉我们吧！