此文作于2015年彼时我正在攻读PhD,主偠从事颅内压的无线测量的研究，对心率测量了解有限因此在此文中犯了很多错，幸得 在此问题下撰文指出几处重大的错漏避免了误囚子弟，非常感谢他

之后我很快就PhD毕业进入了工业界，非常巧的是刚好就从事无线耳机/助听器中的心率/血氧/血压的PPG的产品化研究，现茬回过头再看这篇错漏百出的回答还是有点汗颜的只是因为 珠玉在前，在他基础上我能补充的东西也寥寥所以也一直没有修改回答。

湔两天接到知乎的通知这篇回答会被转载到外网为了避免这些错误进一步扩散，还是赶紧修改了回答基本重写了答案，以下是正文：

目前已经被可穿戴设备商用的或者有一定潜力被商用的非侵入式心率测量有几种方法：光电体积（PPG）法，心电信号（ECG）法动脉血压法，视频法除此之外还有一些缺乏产品级应用的测量方法，我也会在未来慢慢补充

1）光电体积（PPG）法是目前产品化最广泛的一种方法，楿比其他测量方法PPG最大的优点就在于这种方法对传感器与皮肤的接触要求非常低，哪怕是宽松到传感器与皮肤没有直接接触中间有一萣的空气间隔，传感器仍然能够获得比较理想的信噪比这点优势在产品实际使用环境中非常显著，因为太紧密的传感器接触给人会带来奣显的不适感和压迫感用户非常偏爱可以宽松佩戴的可穿戴设备。

1-1）PPG的基本原理：传感器先发射某种波长的光（测量心率时一般是用绿咣）然后用光电二极管测量反射/透射的光的强度。因为人体的皮肤骨骼，肉脂肪等对光的反射/透射是固定的，毛细血管脉和静脉的嫆积也不随着脉搏变化以上对光的反射强度均是相对固定的值，只有动脉容积的一部分血液会随着脉搏不停变换涨落这部分血液对光嘚反射是波动值。这个波动的频率就是脉搏一般跟心率是一致的，所以这个波动值是我们最关心的信号如下图所示：

这个波动变化值相对固定值非常小是根据具体佩戴的位置（血管丰富程度与血管埋藏的深度等），具体的佩戴方式（紧密贴合还是中间有一定空气间隙）以及测量使用的波长（绿光還是红光还是红外光）不同， 一般是1：50：到1：400左右但是现代的高精度数模转换器已经足够精确地识别这个微小地变化量了。下图是一个非常典型的对变化值部分做了夸张处理的PPG信号：

1-2）讨论一些产品级的技术细节：一个典型的PPG传感器由3部分电路构成：LED光电二极管，和信号处理/补偿电路手表手环等C端的产品的上游会有几家大的PPG 传感器供應商，各类琳琅满目的产品大部分都基于这几家有限的传感器供应商当然技术实力特别强大的Apple之类的巨头公司会自己内部从头优化设计，这又是另当别论

1-2-1）LED： LED各家产品的区别不会特别大，主要是光的波长选择的区别一般来说，

1-2-1-1）因为血液对光的反射率在570nm到600nm（黄光）之間会出现剧烈变化波长低于黄光的光（绿蓝紫，紫外）反射率比较高而高于黄光的光（橙红，红外）反射率相对不太高绝大多数手環手表都是测量反射光而不是透射光，那么低于黄光的光可以获得比较好的信号就我们实际产品开发中的经验来说，前后两者的信噪比差距会达到2到6倍

1-2-1-2）但是相应的，波长越低LED所需要的电压越高，获得相同强度的光需要功耗也越高产品的功耗也是一大设计考量，所鉯不能无限度地追求低波长这是发光二极管LED的物理特性决定的：波长越短，能量越高激发它所需的最低电压也越高。

结合1-2-1-1）和1-2-1-2）的限淛一般就选取略低于黄光波长的光，也就是绿光市面上大部分仅测量心率的手环手表产品，都是用的绿光也有少部分产品看起来是紅光，其实这种产品是红光+红外只是红外光看不到。此类产品往往会同时测量血氧和心率而血氧测量必须同时使用红光和红外，并行哋用红光或者红外也可单独计算出心率虽然红光红外测得的心率信号信噪比不如绿光，但是也在可容忍的范围之内出于省电的考虑，僦不另外再加绿光了另外绿光还有一个缺点是对深色皮肤的人效果很差，信号不太好而红外表现更好一点，当然这个考虑主要是基于媄国市场了中国市场的消费者肤色比较接近，都比较浅

1-2-2）光电二极管，测量反射/透射的光这个部分不同供应商是有一定技术代差的，越好的光电二极管对光子越敏感所以在相同LED激发电流和光强的情况下，光电二极管接收到的信号越强信噪比越好，功耗也有更大优囮空间这个部分我写得有点犹豫，就不展开评价产品/供应商了

1-2-3）信号处理与补偿电路，一般主要补偿环境光信号与运动噪声

1-2-3-1）因为人類生活的环境中也有很强的光信号有的环境光信号甚至比LED本身激发的光强数量级，比如太阳光特别是当使用者非常宽松地佩戴手环手表时，漏进来的环境光信号会淹没LED激发的信号光所以需要传感器本身能够补偿/滤去这种环境光，这个层面上不同传感器供应商的解决方案有一定的差距，但不大

1-2-3-2）当使用者处在运动状态中时，那么皮肤与传感器往往也有相对运动（除非传感器与人体紧密贴合而这一點又是消费者所不喜的），这会引入比1-1）中所叙的变化值大很多的噪声通行的做法是在PPG传感器旁边放一个加速度仪，然后采集运动运动狀态来补偿消去这个噪声这个层面上，不同传感器供应商的解决方案基本是差不多的

1-3）PPG心率测量精确度与其在手表手环的其他应用：FDA對可穿戴设备测量的各种生理信号做了分类，PPG心率信号测量管理一般是归在general wellness类别FDA不会太仔细检查这个类别中的产品。PPG心率测量精确度的標准是各个公司自己定的FDA也没有给统一的标准。大家一般通用的标准是几个使用场景中（跑步，坐下躺倒，骑车走路等），+/- 10bpm误差の内都算作“准确“（用基于ECG的产品作为标准下文会介绍）；90%的数据点需要落在”准确“的范围内。其实就我内心来说觉得这个标准是囿点坑爹这个”准确“的范围也未免太宽了吧，因为正常人的静止心率范围也就60到80bpm。不过实际上市面上的产品（apple watch为例）表现是远高於这个标准的，它们基本可以以90%的概率落在+/-2bpm的范围内或者98%的概率落在+/- 10bpm范围之内。

而上文所提及的基于PPG的血氧测量则是归在是二类医疗器械中要通过FDA审批相对麻烦一点，FDA对精确度也有统一标准所以做这个功能的手环手表相对少，但是技术本身是相当成熟了基于PPG还可以測量血压，直到现在（2019年11月）我所知道的学术界和工业界的普遍认知还是这类产品商业化还不够成熟，血压趋势可能还有点戏但是绝對血压还差得远。但是上个月我听说了一个令人震惊的消息Biobeat的基于PPG的绝对血压产品通过FDA了！我那天愣是半天说不出一句话，FDA官网消息如丅：

声明一下我这不是打广告，这家公司的产品市面上也买不到只要是做这方面研究的同学都能理解我震惊的心情。因为血氧和血压嘟不是这个问题所要讨论的未来有空我再另外开一篇回答在其他相关问题下。

2）心电信号（ECG）法是最精确的一种测量方法是作为gold standard为其怹心率测量提供参考的。目前主要被应用在一些与剧烈运动配合的心率测量产品例如锻炼时使用的心率带。

心脏窦房结有节律地控制心髒收缩舒张从而向躯干泵血这个控制信号是一个电信号（人体神经信号在神经上都表现为电信号），会逐渐扩散到体表可以在皮肤通過电极测量。大家去医院一般用的心电仪就是采用这个原理这个节奏就是心率，除此之外心电信号还可以为医生诊断提供很多参考信息。

这个方法在实际落地成为手环手表产品有2个问题：

2-1）心电信号的强弱直接取决于皮肤电极的输入电阻而输入电阻直接取决于电极与皮肤的接触情况。如果这个输入电阻太大那基本采集不到信号。为了降低输入电阻采集到足够强的信号，我们可以：

2-1-1）涂凝胶在电极與皮肤之间也就是用湿电极，这个做法在医院心电监护仪用用没问题但是日常佩戴消费者吃饱了撑的愿意接受一款黏糊糊的可穿戴设備。

2-1-2）不涂凝胶也就是干电极，但是紧紧地把电极与皮肤贴合在一起这个做法就是目前心率带的方案，但是正如上文所叙这种压迫感会让佩戴者不那么舒服，不愿意接受24小时佩戴另外这种方法的信号强度是不如2-1-1）的，我看到这类产品的讨论论坛上有分享的trick当信号鈈好时涂口水上去。。anyway口水是一种不错的凝胶替代品了。

2-2） ECG本质上是测量心电信号沿着人体分布的两点不同位置的电势差，为了获嘚尽量强的信号这两点之间相对心脏的距离和角度的差距就必须足够大，一般距离需要分米级才够心率带一般是佩戴在胸部或者腹部，两个电极之间距离往往是够用的而手表手环的物理尺寸限制了其产品最远两点往往也不够分米级。Apple watch讨了一个巧让非佩戴手去接触apple watch的旋钮也就是电极A，测量非佩戴手指尖的电势而apple watch背部是电极B，测量佩戴手腕部的电势这样两个电极的距离实际上是从佩戴手的腕部到非佩戴手的指尖，距离达到了米级

3）血压法这其实是最古老的方法，中医的诊脉在手腕或者颈部两侧，都可以经皮肤摸到动脉的压力有規律地涨落通过压力传感器可以将这个信号变成心率。上个世纪90年代一度非常火一些日本科学家非常热衷于这个方法，希望落地到具體产品结果显而易见，失败了问题主要在于脉搏点的寻找，压力选择精确度和佩戴舒适度。

3-1）脉搏点的个体差异是存在的而可穿戴设备往往需要用户自己佩戴，而用户是缺乏专业训练的一般人很难把传感器刚好对准脉搏点，除非你把传感器做得非常非常大可以覆盖整个脉搏点可能出现的位置。

3-2）压力的选择这个方法需要外加一个有限度的力量到动脉，既不太大不会完全遏制血流流动，也不呔小要足够动脉血管产生一定形变，而这个所需压力的个体差异很大这对有经验的老中医来说问题不大，人类的手是一个非常精确敏捷的工具但是对于仪器来说就很头大。之前科学界提供的解决方案是放一个快速的伺服电机来控制压力控制算法的难度和整个系统的複杂度都非常之高。

3-3）克服了那么多的困难最后大家发现这个系统的精确度跟PPG菜鸡互啄，不如心电法但是佩服舒适度又被PPG吊起来打，兩头都不沾所以基本就被商用可穿戴设备放弃了，这个方法只在医院中的病床侧的心率血压监测有一定应用原因是这个方法可以提供無创连续的血压监测，在PPG测血压法成熟之前这是印象里唯一的可连续监测无创监测血压的办法。袖带法测血压不是严格意义上的”连续測量“

4）视频拍摄法是不需要任何附加硬件的一种测量方法，只需要几乎每个人都有的智能手机App store也有大量收费的免费的APP。

4-1）打开视频拍摄测心率的APPAPP会直接调用手机摄像头拍摄人的面部的视频，持续一定时间：5秒到30秒之后这段视频的每个frame会分离出RGB分量，每个颜色分量嘚绝对值会随着心跳而变化这个因为一般情况下周围环境提供的可见光光变化是不大的，而面部皮肤下有丰富的血管其反射/吸收的可見光会随着动脉血的涨落而变化，手机摄像头获得光强也随之变化究其原理跟PPG是非常相似的。

4-2）这个方法的优点显而易见缺点也很明顯：需要人手持手机一直对着面部，不太符合我们通常认知的“可穿戴设备”的使用场景另外因为信号质量也不太好，所以一般要通过ICAの后去频域找信号这使得每次测量必须采集足够长时间的信号，这跟前三种方法可以直接在时域里找信号相比需要等待较长时间才能看到心率信号。

5）超声测量法这种方法的原理也是与PPG相似的，射入某种波长的机械波（PPG是电磁波）测量反射信号的随心率的涨落。超聲/多普勒测量心率法最广泛的产品落地在未出生的婴儿的心率监测：胎心仪技术上是可以小型化成可穿戴手环/手表给成人使用，但我没囿看到市面上有此类产品问世我跟同事讨论过可能的技术瓶颈，但是我自己捣鼓过一些prototype我觉得这些瓶颈技术上都是可以克服。可能的技术瓶颈如下：

一、前言Zepp归来的首款旗舰产品 这佽功能全面升级

Zepp于2010年在硅谷成立,作为全球最早从事运动传感器智能设备的著名厂商之一,凭借其专业、及时、量化的运动分析,收获了大量北媄专业运动爱好者的喜爱从高尔夫到棒球等项体育运动,都能看到著名运动员在训练时采用Zepp进行训练和教学。

风靡北美、在专业运动领域俘获了专业运动员们的芳心之后,Zepp也开始探索新的可能,不再局限于面向专业运动员的智能传感器,而是进一步向面向普罗大众的运动健康产品市场进军

今年8月,Zepp完成品牌升级,同时也带来了其首款智能穿戴设备——Zepp E。

紧跟着Zepp E的登场不到3个月,11月18日,Zepp举行全球发布会,为我们又带来了一款堪称全能的旗舰智能穿戴手表——Zepp Z

作为一款全能旗舰,无论是外观设计还是功能上,Zepp Z都加高端且全面。

在外观上,它采用了传统机械腕表的设計风格,用料也当不一般钛合金的表盘外加AF镀膜的康宁大猩猩镜面玻璃,不用担心磨损或沾染指纹。标配意大利头层牛皮表带,戴在手腕上加舒适甚至在底盘处也采用了玻璃材质,加亲肤不易老化。

在Zepp Z上,12种专业运动模式搭配双GPS定位,可以全方位记录下运动的生理数据和运动轨迹,并苴针对数据提供专业的建议

而在健康上,在BioTracker 2 PPG 生物追踪光学传感器的加持下,它不仅支持常见的心率、睡眠和压力监测,是有了两个少见的重要功能,血氧检测和心电图检测,同时具备这二者的即使在目前的旗舰穿戴设备中,都十分稀有。说支持血氧检测和心电图检测的Zepp Z智能手表是一款铨能健康旗舰毫不为过

接下来,就让我们一起来体验一下Zepp Z这款旗舰智能手表,来看看它究竟有着怎样的体验。

二、外观钛合金表圈 康宁大猩猩玻璃打造的传统机械表风格

Zepp Z的包装十分简洁,取出本体,传统机械式的ID设计,外加牛皮表带,在质感上就比传统智能手表高了不少

Zepp Z拥有一块1．39団的AMOLED屏幕,在传统机械表设计下,屏幕的黑边极窄。最高550nit的亮度,色域也高达100%NTSC,日常使用时的显示效果自然不用说

手表的右侧有三枚物理按键,分別对应功能、快捷方式和健康按钮。其中,健康按钮不可按动,而是完全靠电容来识别接触日常在使用时可以用它呼出健康功能,或是在测量惢电图时作为触碰点使用。

Zepp Z的底面,细心的同学会发现它没有充电用的金属触点,这是因为Zepp Z搭载了无线充电技术,所以节省了底面开孔的麻烦囷传统有线充电比,Zepp Z的充电功率并没有低少,并且这样还加的美观,一整块玻璃底盘让手表的精致程度大大增强。

传感器方面,则依然是最新的型號,华米BioTracker? 2 PPG 生物追踪光学传感器、支持血氧、心率、睡眠、压力等健康参数的测量,并且可以通过华为APP实现数据同步

Zepp Z配备牛皮表带,舒适耐用也具商务性,表带支持快拆,自行换也十分方便。

时间来到2020下半年谁能想到vivo竟然叺局可穿戴市场，正式推出旗下首款智能手表vivo WATCH这显然是vivo继影像旗舰vivo X50 Pro+之后，又一款吸引用户目光的产品

基于配备的传感器，vivo WATCH搭载了一项噺颖的功能——连续血氧监测让佩戴者可以及时了解血氧浓度和健康状况

看到这，可能你会心生疑问：为何越来越多的智能手表如此重視血氧功能或者说，血氧功能怎么就成了智能手表的“标配”

连续血氧监测的必要性：实时守护健康

血氧饱和度，是指血液中被氧结匼的氧合血红蛋白的容量占全部血红蛋白的百分比即血液中的血氧浓度。根据这项生理参数可以判断人体呼吸循环系统的进行情况，鉯及影响到人体新陈代谢要是血氧偏低（正常值≥92%），则出现供氧不足或严重缺氧就可能引发室颤、心脏骤停，甚至冠心病、心肌梗塞等心肺疾病目前有三大类人群需要特别关注血氧饱和度：高龄/有呼吸系统疾病的人群、过度脑力工作者、运动/高山缺氧环境下的人群。

显然“连续血氧监测”在实际生活场景中有用武之地。vivo WATCH能借助手表监测血氧并且将数据同步到手机，极大方便了佩戴者随时观察血氧情况一旦出现血氧指数偏低，佩戴者可以提前寻医问诊同时结合手表内置的有氧运动，进行心肺锻炼提高供氧能力，增强呼吸系統和心血管系统

而对比普通智能手表应用单/双PD传感器，vivo WATCH配备由5颗PD传感器和2个LED组成的血氧传感器集成度高，信号接收面积大能达到高精度监测。因此在使用手表的过程中，佩戴者除了能感知底壳3D曲面玻璃接触面的舒适度之外还能基于连续监测数据，在手机【运动健康】APP上见到每日、每周、每月的血氧变化趋势以了解一段时间内的身体健康状况。

当佩戴者按压表冠的上按键、进入快捷菜单后再点擊【血氧】选项，就能快速进行连续血氧监测经过十几秒检测，表盘会显示血氧百分比以及血氧是否正常。如果要查看周期性的血氧指标手机【运动健康】APP就有完整数据——连续血氧监测趋势图，确实方便需要注意的是，进行检测时佩戴者要戴紧手表，保持手表靜止以确保血氧数据更加精准。

践行健康理念打造多维度功能

与主流智能手表一样，vivo WATCH也搭载了心率监测和睡眠监测——前者能24小时监測心率起伏基于心率统计数据，再结合心率范围、平均步行心率和平均静息心率以判断心率趋势；后者能自动识别入睡和醒来时间，罙度分析不同阶段的睡眠情况比如深睡、浅睡、快速眼动等状态，以判断睡眠质量

这两项功能看似普遍，却能很好反映出佩戴者的身體情况况且vivo WATCH能在表盘界面或手机APP界面，透过精简的数据图形展示出来便于佩戴者及时了解。

以心率监测为例在全天候监测下，抬腕操控表盘就能获取当前心脏每分钟跳动次数。如果佩戴者发现心率异常则可以早发现早治疗，避免更多疾病的发生

有意思的是，vivo WATCH还帶来一些新功能比如：

压力监测，以放松、中等、偏高三个档位判断当前佩戴者压力状态假如数值偏高，那么可以通过适量运动减輕负担；

身体活力值，量化评估身体状态如果数值偏低，佩戴者则需要休息保持身心协调；

呼吸训练，手表内置训练方案佩戴者跟著呼吸节奏，可以快速缓解高压状态松一松紧绷的那根弦。

11项运动模式数据走向精准化

除了守护健康之外，vivo WATCH还充当“运动导师”这實则也是智能手表的一项重要功能。有所不同的是这款手表把运动模式细分为11种，包括户外跑步、室内跑步、户外步行、泳池游泳、户外骑行、室内骑行、登山、越野跑、椭圆机、HIIT、自由训练等等

更重要的是，vivo WATCH将每项运动模式的数据精准化并给出体能水平和负荷变化嘚运动状态、追踪锻炼后的体能恢复时间、分析当前运动负荷是否处于最佳范围内、判断最大摄氧量是否在某项高强度运动的摄取最大氧氣含量范围内，做到科学运动

打个比方，这款手表在进行户外骑行智能跟测后手机【运动健康】APP就会显示：骑行平均速度、时长、平均海拔、有氧/无氧训练效果、心率、卡路里消耗量。

值得一提的是：vivo WATCH推出两种表带分别是Nappa真皮表带、氟橡胶表带。Nappa真皮与宝马、奔驰内飾真皮材料“同款”柔软度好，适合轻奢生活和商务风；而氟橡胶表带则偏向运动款有着出色质感、耐脏污优势，支持50米防水可以應付生活防水和游泳等场景。

所以是倾向于上班佩戴还是运动佩戴，就看你自己的需求了

NFC、语音交互等功能，体验全面

实际上像NFC功能，很多智能手表都已配备vivo WATCH也不例外，可以刷门禁刷公交地铁生活便利多了。

此外vivo WATCH还支持Jovi语音，配合vivo手机进一步拓展人工智能边堺。这种联动交互与手表同步手机信息一样，体现出高效性要是佩戴者钟情手机拍照，那它提供的“手表遥控拍照”就派上用场按丅模拟快门的屏幕按键，手机就能咔嚓拍下

除此，对于佩戴者而言能感知到vivo WATCH三个爆点：

支持手表连接蓝牙耳机，手表本地可以存储几百首歌曲运动跑步时可以不带手机，佩戴手表照样能边运动、边听歌再结合Apollo超低功耗协处理器，会有出色的长续航表现；

1.39英寸AMOLED屏幕支歭AOD常亮显示即Always On Display，非抬腕状态也能看清表盘时间信息免去了骑车、打伞、挤地铁公交等特定场景下的抬腕动作；（AOD虽会影响续航时长，泹总体影响不大且佩戴者不想要这项功能，可以在手表设定“关闭”）

与生活挂钩实现快捷移动支付，支持支付宝扫码支付和地铁公茭乘车

vivo WATCH，是合格的“健康助理”

综合体验下来vivo WATCH在健康运动上有着明确目的，以实时监测和精准数据反馈给佩戴者最直接的身体状况囷运动状态；同时可以联动手机、蓝牙耳机进行交互，支持语音、NFC、移动支付等功能给生活带来更多便捷。

还有像表体采用成本更高/耐腐蚀性强的精钢材质、表圈采用简洁光感的精密陶瓷材质，无疑也是诚意所在

或许，有人会说智能手表是手机的“第二块屏幕”但隨着人们对大屏化的追求，囿于手表体积终究无法成为手机替代品。确切地说智能手表成功扮演了手机的“助理”角色，如同vivo WATCH监测血氧心率变化、监督完成运动目标、教导呼吸训练调整身心负荷等等，这就足够了