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光學(xué)心率傳感器技術(shù)在可穿戴設(shè)備中的新興醫(yī)療應(yīng)用

本文作者：Ryan Kraudel 點(diǎn)擊： 2018-09-10 10:25

前言：

“用于生物計(jì)量可穿戴設(shè)備的光學(xué)心率傳感器”系列文章由三個(gè)部分組成，這是第三篇。第一部分重點(diǎn)介紹了這些傳感器系統(tǒng)的工作原理，以及如何使用它們進(jìn)行測(cè)量。第二部分分享了完成50多個(gè)生物識(shí)別可穿戴產(chǎn)品開發(fā)周期的十大經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

在日益數(shù)字化的世界中，光學(xué)心率傳感器在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用越來越廣泛。這些設(shè)備中數(shù)不清的應(yīng)用可提供從個(gè)人活動(dòng)、健身水平到健康狀況的所有內(nèi)容。精準(zhǔn)的生物識(shí)別傳感器數(shù)據(jù)可以提供準(zhǔn)確的健身/健康評(píng)估，但設(shè)計(jì)師和工程師究竟能用這些評(píng)估做些什么呢？表1總結(jié)了目前在健身應(yīng)用中使用的一些常見評(píng)估，這些評(píng)估也證明了健康醫(yī)療的意義。

評(píng)估	定義	對(duì)健身的意義	對(duì)健康的意義
VO₂ max	有氧能力：心血管健康慢性變化的主要指標(biāo)	有氧運(yùn)動(dòng)中，最大攝氧量越高，運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)越好	最大攝氧量越高，死亡率越低，心臟病恢復(fù)越好
靜息心率	清醒時(shí)不運(yùn)動(dòng)的心率	靜息心率下降與健康狀況的改善有關(guān)	靜息心率穩(wěn)步上升與心血管疾病的進(jìn)展有關(guān)
心率恢復(fù)	劇烈運(yùn)動(dòng)后一分鐘內(nèi)心率變化	更高的心率恢復(fù)意味著更好的運(yùn)動(dòng)耐力	更高的心率恢復(fù)意味著心血管健康改善
心率反應(yīng)	運(yùn)動(dòng)開始時(shí)一分鐘內(nèi)心率變化	更高的心率反應(yīng)意味著運(yùn)動(dòng)時(shí)心臟準(zhǔn)備不足	更高的心率反應(yīng)伴隨著變時(shí)性功能不全（即心臟不能隨著活動(dòng)或需求的增加而增加），可預(yù)測(cè)頸動(dòng)脈粥樣硬化
心臟效率	平均心率除以穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的平均心率	心臟效率越高，所有身體活動(dòng)所需的心跳就越少	心臟效率的穩(wěn)步下降與高血壓的發(fā)病有關(guān)
心率變異性（HRV）	心率間隔的統(tǒng)計(jì)變異性	HRV可以診斷社會(huì)心理壓力和運(yùn)動(dòng)過度訓(xùn)練	HRV可以預(yù)測(cè)房顫和心律失常

表1：與健康和醫(yī)療相關(guān)的關(guān)鍵健康評(píng)估(信息由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院提供)

如今，市場(chǎng)上的大多數(shù)可穿戴設(shè)備都是針對(duì)運(yùn)動(dòng)和健身用例推出的，但可以開始看到可穿戴設(shè)備正轉(zhuǎn)變?yōu)閭€(gè)人健康設(shè)備，為人們的健康提供有意義的指導(dǎo)。這是因?yàn)檫@些可穿戴設(shè)備中的光電容積描記（PPG）傳感器已經(jīng)達(dá)到了一定的精確度，足以滿足許多已被心電圖技術(shù)證實(shí)的健康和醫(yī)療用例。

以下是一些如何使用這些評(píng)估以及如何在未來將其應(yīng)用于健康和醫(yī)療可穿戴設(shè)備的示例。

VO? max
測(cè)量身體活動(dòng)和與之有關(guān)的身體反應(yīng)是決定改善水平的關(guān)鍵因素。今天的一些可穿戴設(shè)備開始使用VO2max（最大耗氧量）來測(cè)量心血管健康的慢性變化。最大攝氧量越高，有氧運(yùn)動(dòng)中的表現(xiàn)越好。然而，具有測(cè)量最大攝氧量功能的可穿戴設(shè)備也可應(yīng)用于健康和醫(yī)療用途。例如，證據(jù)表明，較高的最大攝氧量也與死亡風(fēng)險(xiǎn)降低和心臟病恢復(fù)能力提高有關(guān)。

靜止心率
“休息”一詞可能不是人們?cè)诳紤]健身時(shí)首先想到的詞，但心率的靜息測(cè)量可以很好地反映健康水平。在不運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，靜息心率的下降與健身的增多有關(guān)。一個(gè)人的靜息心率越低，他就越有可能減緩心血管疾病的進(jìn)展。

心率恢復(fù)
同樣地，測(cè)量心率恢復(fù)——心臟在運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)到正常水平的能力——也可以預(yù)測(cè)健康水平和心臟功能。健康的心臟會(huì)比不健康的心臟恢復(fù)得快。心率恢復(fù)率越高表明耐力越好，心血管健康狀況越好。為了評(píng)估心率恢復(fù)情況，您可以觀察運(yùn)動(dòng)過程中的心率和停止運(yùn)動(dòng)后一到兩分鐘的心率之間的差異。

心率反應(yīng)
另一個(gè)有用的評(píng)估來自心率傳感器，大約在運(yùn)動(dòng)一分鐘后，是心率對(duì)運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)，這是一種生理反應(yīng)。工作肌肉活動(dòng)增加導(dǎo)致交感神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)增加。健康水平越低，心率對(duì)運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)越強(qiáng)。通過定期訓(xùn)練，身體會(huì)適應(yīng)。雖然心率仍會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)而增加，但身體必須更加努力地運(yùn)動(dòng)才能達(dá)到同樣的速度。較高的心率反應(yīng)，再加上變時(shí)功能不全，也有助于預(yù)測(cè)頸動(dòng)脈疾病。

心臟效率
有規(guī)律的鍛煉也能提高心臟效率，這是心臟所做的工作與完成工作所需的能量之比。心臟效率越高，對(duì)于身體活動(dòng)需要的跳動(dòng)次數(shù)就越少。心臟效率是一個(gè)主要的心臟健康指標(biāo)。心率下降與許多心血管疾病相關(guān)，包括高血壓。

心率變異性（HRV）
身體活動(dòng)或身體上的壓力，也可以通過HRV來評(píng)估心臟搏動(dòng)之間的時(shí)間變化。該測(cè)量可以表明心理社會(huì)或精神壓力，以及過度鍛煉。HRV監(jiān)測(cè)壓力源對(duì)身體的影響，它與疲勞(精神和工作能力)和執(zhí)行腦力和工作任務(wù)的準(zhǔn)備程度有關(guān)。HRV還可以預(yù)測(cè)心律失常和房顫的發(fā)生率。職業(yè)運(yùn)動(dòng)員使用HRV已經(jīng)有一段時(shí)間了，但現(xiàn)在只是剛剛開始在消費(fèi)性設(shè)備上流行。

最近發(fā)布了許多關(guān)于可穿戴設(shè)備檢測(cè)房顫、心律失常、核心體溫等新功能的公告。這些功能由同樣的光學(xué)心率傳感器提供，其使用的PPG已經(jīng)應(yīng)用于當(dāng)今大量的可穿戴設(shè)備中。

其他資源
• 查看TI光電二極管傳感器產(chǎn)品組合。
• 查找TI可穿戴設(shè)備資源和參考設(shè)計(jì)。

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