從第一代Apple Watch開(kāi)始，就已經(jīng)有了監(jiān)測(cè)用戶心率的功能，在這項(xiàng)功能上，蘋果采用了光電式測(cè)量技術(shù)。
與電極式測(cè)量相比，光電式測(cè)量可以單手操作，不需要像電極式方式那樣需兩個(gè)觸點(diǎn)也即雙手來(lái)檢測(cè)數(shù)據(jù)，這樣可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)讀取數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程讀取數(shù)據(jù)，更適合于配合云端大數(shù)據(jù)的服務(wù)。這也是它被廣泛應(yīng)用于可穿戴設(shè)備上的原因。
看似受追捧的技術(shù)，實(shí)則面臨著許多問(wèn)題。
主要問(wèn)題
在活動(dòng)中利用光電式測(cè)量心率必須克服五個(gè)對(duì)準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響的基礎(chǔ)性問(wèn)題：
1、光線干擾
2、膚色
3、交叉問(wèn)題
4、傳感器在人體上的位置
5、低灌注
下面我們來(lái)具體看一下這五個(gè)方面的具體問(wèn)題。
光線干擾
事實(shí)上，光電式心率測(cè)量設(shè)備最大的技術(shù)障礙是如何將生物特征信號(hào)從干擾中分離出來(lái)，特別是運(yùn)動(dòng)干擾。不幸的是，當(dāng)把光線射入一個(gè)人的皮膚時(shí)，只有一小部分光量子返回給傳感器，并且收集的所有光量子，只有百分之一或千分之一是由心臟收縮的血流量調(diào)節(jié)的，剩下的都分散在非搏動(dòng)性生理物質(zhì)上，例如皮膚、肌肉、肌腱等等。因此，當(dāng)這些非搏動(dòng)性生理物質(zhì)四處移動(dòng)，比如在鍛煉或者日常生活活動(dòng)中，由此導(dǎo)致的光線隨著時(shí)間變化運(yùn)動(dòng)躁動(dòng)分散是很難從光線隨著真實(shí)血流量的分散中區(qū)分出來(lái)的。周圍光線干擾還加劇這個(gè)問(wèn)題的嚴(yán)重性，比如隨著時(shí)間的變化，太陽(yáng)光的干擾可以完全滲透到光電探測(cè)器中，甚至創(chuàng)造出近似生理性質(zhì)的脈動(dòng)信號(hào)。
膚色
人類擁有非常多種不同的漂亮膚色，多到以至于菲氏量表為膚色數(shù)值分類和對(duì)紫外線的反應(yīng)而提供了7個(gè)類型的標(biāo)準(zhǔn)。不同的膚色對(duì)光的吸收是不同的，因此每一種膚色的特點(diǎn)在于都有不同的吸光圖譜。那么，這意味著光電式心率測(cè)量設(shè)備傳感器捕獲的光的強(qiáng)度和波長(zhǎng)是取決于穿戴傳感器的人的膚色的。例如，深色皮膚吸收綠色光較多，這也表明了為什么大多數(shù)設(shè)備采用綠色LED作為光線發(fā)射器，限制了透過(guò)深色皮膚準(zhǔn)確測(cè)量心率的能力的問(wèn)題。這同樣暴露出透過(guò)紋身的皮膚測(cè)量心率的問(wèn)題，這也是蘋果被人們?cè)嵅〉摹凹y身門”，手腕有紋身的蘋果手表用戶發(fā)現(xiàn)顯示屏上的數(shù)據(jù)顯示非常微弱，甚至沒(méi)有。
交叉問(wèn)題
光電式心率監(jiān)測(cè)器存在由于周期性活動(dòng)期間的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的交叉干擾方面的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題面臨的最大的挑戰(zhàn)是這種活動(dòng)帶來(lái)持續(xù)性的相同重復(fù)的動(dòng)作。這點(diǎn)在記錄慢跑和跑步期間的步伐頻率時(shí)最常見(jiàn)，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)通常與心跳頻率（140-180下／步數(shù)每分鐘）處于同一個(gè)基本區(qū)間里。許多光電式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備面臨的這個(gè)問(wèn)題使得運(yùn)算法則很容易將通過(guò)光電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄入的步伐速率錯(cuò)誤解讀成心率。這就是為人所知的“交叉問(wèn)題”，因?yàn)樵趫D表上查看這些數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)心率和步伐速率發(fā)生重疊，許多光電式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備傾向于鎖定步伐速率并將其顯示為心率，盡管心率可能會(huì)在重疊后發(fā)生巨大改變。這個(gè)交叉干擾的問(wèn)題在蘋果表上體現(xiàn)很明顯。
傳感器在人體上的位置
設(shè)備在人體上使用時(shí)面臨的獨(dú)有的挑戰(zhàn)是位置的不同會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生顯著的區(qū)別。最主要集中在三個(gè)部位：
1、耳朵－－在音頻耳塞里
2、胳膊－－在上臂臂章上部或者下臂上
3、手腕－－在智能手表或者運(yùn)動(dòng)追蹤器上
事實(shí)表明，腕部是最不能做到精確測(cè)量的部位之一。因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域（肌肉、肌腱、骨頭等等）會(huì)產(chǎn)生更高的光線干擾，并且血管結(jié)構(gòu)有高度的變異性。前臂部位被認(rèn)為是更好的選擇，因?yàn)樵谀抢锏钠つw表面有更高的血管密度。然而，對(duì)于光電式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)說(shuō)，耳朵是至今為止被認(rèn)為最佳的部位。因?yàn)槟抢镏挥熊浌呛兔?xì)血管，即使身體在運(yùn)動(dòng)也不會(huì)移動(dòng)太多，因此大大減少了必須被過(guò)濾的光線的干擾。特別是，密集的動(dòng)脈集合存在于抗耳屏耳和外耳之間。
低灌注
灌注是身體將血液運(yùn)送到毛細(xì)血管床的過(guò)程。在膚色上，不同種族之間灌注的水平是有極大差別的，像肥胖、糖尿病、心臟疾病和動(dòng)脈疾病等問(wèn)題都會(huì)降低血液灌注水平。低水平灌注，特別是在四肢上，會(huì)對(duì)光電式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備形成挑戰(zhàn)，因?yàn)樾盘?hào)和干擾的比率可能會(huì)大幅降低，低水平灌注和低水平的血流信號(hào)是相關(guān)聯(lián)的。不幸的是，低水平灌注在當(dāng)今社會(huì)太常見(jiàn)了。所以，這也是一個(gè)很大的問(wèn)題。幸運(yùn)的是，在大多數(shù)由于低水平灌注導(dǎo)致光電式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備失敗的案例中，心臟信號(hào)會(huì)在幾分鐘的熱身后重新恢復(fù)，即開(kāi)始動(dòng)脈血流流入毛細(xì)血管和小動(dòng)脈的新循環(huán)。
以上這五個(gè)挑戰(zhàn)是大多數(shù)光電式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備所面臨的，當(dāng)然和傳感器相關(guān)的問(wèn)題例如電池壽命不包含在本次的討論之中，但是也是值得注意的。還好，這些問(wèn)題已經(jīng)引起了研發(fā)者們的注意。
