【了不起的芯片】智能手表：你的血氧，芯片知道

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这一期，我们聊一聊智能手表的那些事儿。

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十年前，智能手环还只能实现计步器功能。今天的智能手表已经进化到了“想怎么练，都奉陪”的地步。心率监测只是标配，有的设备还具有FDA批准的心电图检测。甚至还有新冠病毒感染目前刚转为“乙类乙管”下，对于自我健康检测十分有用的──血氧监测功能！

虽说智能手环/手表作为非医规级产品，和医规级设备的差距不是一丁半点。但方便日常随手使用的小小手环，是如何实现监测的呢？靠的是穿戴设备中的光学心率传感器芯片。

正常人的心跳和脉搏相对应，一次心跳对应一次脉搏，所以古人常通过扣触手腕处脉搏的跳动来了解心率。

那手表又是如何测量皮肤之下脉搏的跳动的呢？通过可实现光电容积描记法（Photoplethysmographic，简称PPG）的芯片。简单来说，就是基于物质对光的吸收原理，通过智能手环/手表的绿色LED灯搭配感光光电二极管，用光检测一段时间血管的扩张收缩。由于血液是红色的，它可以反射红光而吸收绿光，在心脏跳动时，血液流量增多，绿光的吸收量会随之变大；处于心脏跳动的间隙时血流会减少，吸收的绿光也会随之降低。因此，根据血液的吸光度，心率检测芯片可以测量出心率。其中，静息心率的水平也可作为个人评估自己是否感染新冠病毒的参考。

绝大部分智能手环/手表都采用了光电法监测心率，它们的明显特征是传感器部位配备了绿色LED灯，并且发生器和光敏接收器位于所测部位的同一侧，主要测量反射回来的光。这种方法测量心率的优点是非常简便，对测量部位的要求也很低，只要组织比较平滑且皮下脂肪少的地方几乎都可以测量，例如额头、手腕。因此，大部分智能手环/手表等穿戴设备都采用这种心率传感器芯片来测量心率，并完美解决心率监测与佩戴舒适的双重要求。

那为什么光电传感器采用的都是绿光呢？因为皮肤的黑色素会吸收大量波长较短的波，而皮肤上的水份也会吸收大量的紫外和红外部分光，只有进入皮肤组织的绿光(500nm)-黄光(600nm)大部分会被血液中的红细胞吸收，因此绿光作为心率测量光源时得到的信号更好，信噪比也比其他光源好些，现在大部设备都采用绿光为光源。但如果考虑到皮肤情况的不同（肤色、汗水），高端产品（人民币玩家）也会根据情况自动使用换绿光、红光和红外等多种光源。

PPG不仅仅能测量心率，还可以测量血氧饱和度、血压、呼吸率。在获取不同的PPG指标时，使用不同的波长即可。

血氧饱和度监测的原理也是基于光学反射原理。人体所消耗的氧气主要来源于血红蛋白所携带的氧，通常用血氧饱和度来描述血液中的氧含量，即血液中被氧结合的氧合血红蛋白的容量占全部可结合血红蛋白容量的百分比。作为呼吸循环的重要生理参数，血氧检测在新冠病毒感染后，进行检测也显得尤为重要。

智能手环和家用指夹式血氧检测仪都是通过光电信号进行检测的，不同于手环佩戴在手腕上并接受反射光，它通过指套式来接收透射光。由于血液里的氧合血红蛋白对红光吸收量较多，对红外光吸收较少，而血红蛋白对红外光吸收较多，因此通过对比发射和接受的红光、红外光强度变化，得到光的吸收量，再结合处理器芯片的内置算法便可大致计算得到氧合血红蛋白以及未结合氧气的血红蛋白，进而得到经皮血氧饱和度(SpO2)。不过，智能手环的血氧功能目前仍有待研发出更准确的测量。

除了光电容积描记法，还有心电信号测量法（ECG）。

由于人的心脏在每个心动周期（从一次心跳的起始到下一次心跳的起始，心血管系统所经历的过程）中，心房、心室相继兴奋，伴随着无数心肌细胞的相继动作，从而会引起电位变化，这些生物电的变化称为心电。每次心跳，人的体表都会有微小的电极变化，捕捉到这些周期性的电极变化，再经过心电ECG专用芯片的算法就可以还原出心率跳动的频率，来实现心率的实时监测。

心电信号测量法与医院常用的心电图检测类似，不同的是医院需要在心口、脚上、手腕上都加上电极，以测量更多的数据。但智能手环/手表所需连接的电极片少了很多。相较医院心电图为10个电极（12导联），由于这种方式下测量出来的心电图是非标准导联的，因此现阶段还没有诊断价值。

常使用的反射式PPG，其核心器件光学心率传感器是多传感器的集成，主要包含光发射器、光电二极管、模拟前端、加速度计等多个元器件。纵使硬件性能已登峰造极，但可穿戴设备的PPG测量受各项干扰因素影响大，并且不同人群的身体状况都不一样，佩戴是否牢固、周围电磁干扰、皮肤状态不同（包括体毛、纹身、伤疤等因素）、漏光、环境光的干扰、动态光的伪像……都会增加可穿戴设备精准测量的难度。

尽管智能手表的精准度不能媲美医疗级的心率监测设备，但通过先进的健康传感器芯片，便携的实时数据监测可以给消费者长期的日常健康数据参考，并且智能提醒站立、走动和运动……帮助人们全方位洞察自身健康状况。

芯片技术一个又一个的一小步，带动了健康的一大步，让我们日常都能感受技术创新带来的进步。新思科技作为芯片设计自动化工具EDA和IP的全球领导者，我们相信芯片的技术革新能够为当下和未来创造出更多像这样的硬核科技的温度和善意，一同奔向“科技向善”的数智时代~

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