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這一期，我們聊一聊智能手表的那些事兒。

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十年前，智能手環還只能實現計步器功能。今天的智能手表已經進化到了“想怎么練，都奉陪”的地步。心率監測只是標配，有的設備還具有FDA批準的心電圖檢測。甚至還有新冠病毒感染目前剛轉為“乙類乙管”下，對于自我健康檢測十分有用的──血氧監測功能！

雖說智能手環/手表作為非醫規級產品，和醫規級設備的差距不是一丁半點。但方便日常隨手使用的小小手環，是如何實現監測的呢？靠的是穿戴設備中的光學心率傳感器芯片。

正常人的心跳和脈搏相對應，一次心跳對應一次脈搏，所以古人常通過扣觸手腕處脈搏的跳動來了解心率。

那手表又是如何測量皮膚之下脈搏的跳動的呢？通過可實現光電容積描記法（Photoplethysmographic，簡稱PPG）的芯片。簡單來說，就是基于物質對光的吸收原理，通過智能手環/手表的綠色LED燈搭配感光光電二極管，用光檢測一段時間血管的擴張收縮。由于血液是紅色的，它可以反射紅光而吸收綠光，在心臟跳動時，血液流量增多，綠光的吸收量會隨之變大；處于心臟跳動的間隙時血流會減少，吸收的綠光也會隨之降低。因此，根據血液的吸光度，心率檢測芯片可以測量出心率。其中，靜息心率的水平也可作為個人評估自己是否感染新冠病毒的參考。

絕大部分智能手環/手表都采用了光電法監測心率，它們的明顯特征是傳感器部位配備了綠色LED燈，并且發生器和光敏接收器位于所測部位的同一側，主要測量反射回來的光。這種方法測量心率的優點是非常簡便，對測量部位的要求也很低，只要組織比較平滑且皮下脂肪少的地方幾乎都可以測量，例如額頭、手腕。因此，大部分智能手環/手表等穿戴設備都采用這種心率傳感器芯片來測量心率，并完美解決心率監測與佩戴舒適的雙重要求。

那為什么光電傳感器采用的都是綠光呢？因為皮膚的黑色素會吸收大量波長較短的波，而皮膚上的水份也會吸收大量的紫外和紅外部分光，只有進入皮膚組織的綠光(500nm)-黃光(600nm)大部分會被血液中的紅細胞吸收，因此綠光作為心率測量光源時得到的信號更好，信噪比也比其他光源好些，現在大部設備都采用綠光為光源。但如果考慮到皮膚情況的不同（膚色、汗水），高端產品（人民幣玩家）也會根據情況自動使用換綠光、紅光和紅外等多種光源。

PPG不僅僅能測量心率，還可以測量血氧飽和度、血壓、呼吸率。在獲取不同的PPG指標時，使用不同的波長即可。

血氧飽和度監測的原理也是基于光學反射原理。人體所消耗的氧氣主要來源于血紅蛋白所攜帶的氧，通常用血氧飽和度來描述血液中的氧含量，即血液中被氧結合的氧合血紅蛋白的容量占全部可結合血紅蛋白容量的百分比。作為呼吸循環的重要生理參數，血氧檢測在新冠病毒感染后，進行檢測也顯得尤為重要。

智能手環和家用指夾式血氧檢測儀都是通過光電信號進行檢測的，不同于手環佩戴在手腕上并接受反射光，它通過指套式來接收透射光。由于血液里的氧合血紅蛋白對紅光吸收量較多，對紅外光吸收較少，而血紅蛋白對紅外光吸收較多，因此通過對比發射和接受的紅光、紅外光強度變化，得到光的吸收量，再結合處理器芯片的內置算法便可大致計算得到氧合血紅蛋白以及未結合氧氣的血紅蛋白，進而得到經皮血氧飽和度(SpO2)。不過，智能手環的血氧功能目前仍有待研發出更準確的測量。

除了光電容積描記法，還有心電信號測量法（ECG）。

由于人的心臟在每個心動周期（從一次心跳的起始到下一次心跳的起始，心血管系統所經歷的過程）中，心房、心室相繼興奮，伴隨著無數心肌細胞的相繼動作，從而會引起電位變化，這些生物電的變化稱為心電。每次心跳，人的體表都會有微小的電極變化，捕捉到這些周期性的電極變化，再經過心電ECG專用芯片的算法就可以還原出心率跳動的頻率，來實現心率的實時監測。

心電信號測量法與醫院常用的心電圖檢測類似，不同的是醫院需要在心口、腳上、手腕上都加上電極，以測量更多的數據。但智能手環/手表所需連接的電極片少了很多。相較醫院心電圖為10個電極（12導聯），由于這種方式下測量出來的心電圖是非標準導聯的，因此現階段還沒有診斷價值。

常使用的反射式PPG，其核心器件光學心率傳感器是多傳感器的集成，主要包含光發射器、光電二極管、模擬前端、加速度計等多個元器件。縱使硬件性能已登峰造極，但可穿戴設備的PPG測量受各項干擾因素影響大，并且不同人群的身體狀況都不一樣，佩戴是否牢固、周圍電磁干擾、皮膚狀態不同（包括體毛、紋身、傷疤等因素）、漏光、環境光的干擾、動態光的偽像……都會增加可穿戴設備精準測量的難度。

盡管智能手表的精準度不能媲美醫療級的心率監測設備，但通過先進的健康傳感器芯片，便攜的實時數據監測可以給消費者長期的日常健康數據參考，并且智能提醒站立、走動和運動……幫助人們全方位洞察自身健康狀況。

芯片技術一個又一個的一小步，帶動了健康的一大步，讓我們日常都能感受技術創新帶來的進步。新思科技作為芯片設計自動化工具EDA和IP的全球領導者，我們相信芯片的技術革新能夠為當下和未來創造出更多像這樣的硬核科技的溫度和善意，一同奔向“科技向善”的數智時代~

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