智慧手錶怎麼量心率？用光讀取血流的原理

生活中的例子

把智慧手錶拿下來翻到背面，有時會看到綠光一閃一閃。跑步時，螢幕上的心率會上升；睡覺時的心率，也會畫成圖表。有些機種還能記錄心電圖，或測量血液中氧氣的比例。這些功能，都是靠貼著手腕的小感測器，以及驅動它的半導體晶片來實現。

原理1：用光看「血量的變化」

心臟每次收縮，就把血液推送到全身。每推一次，手腕皮膚裡的細小血管也會收到血液，血量稍微增加。Apple說明，血液看起來是紅色，是因為它反射紅光、吸收綠光。也就是說，血液越多的瞬間，皮膚裡被吸收的綠光就越多。

手錶背面，排列著發光的LED，以及把收到的光量轉成電的元件。這個元件稱為光二極體。LED的光在皮膚裡散開，一部分被血液吸收，其餘反射回來，到達光二極體。到達的光在心臟每跳一次時會稍微減少，到下一次心跳前又恢復。

讀取這種增減的方法，稱為光體積變化描記圖法（PPG）。到達的光大部分，是從皮膚、骨頭等反射回來、幾乎不變的光。常被閱讀的PPG解說論文Allen（2007年），也把訊號分成兩部分。一是「隨每次心跳變化的小部分」，二是「只會緩慢變化的大部分」。重點是要在大量的光之中，準確抓出微小的變化。

為什麼用綠光

綠光很容易被血液中的紅色色素吸收，所以心跳造成的變化比較明顯。這種色素稱為血紅素。根據Tamura等人在2014年整理相關研究的論文，明亮的綠色LED實用化之後，穿戴式心率計才普及開來。

也有研究指出，綠光比較不容易受到動作影響。日本的研究團隊（前田、關根、田村，2011年）做了跳躍和揮動手臂的實驗。結果用綠光量到的脈搏，比紅外線更符合心電圖。另一方面，肉眼看不見的紅外線也會使用。根據Apple的說明，使用哪種光，會依機種、運動中或睡眠中等情況而改變。

原理2：把光轉成數字的晶片

光二極體收到的光越多，流過的電流就越大（原理請見「二極體是什麼？」和「影像感測器是什麼？」）。不過，這個電流非常小，無法直接拿來計算。因此要通過一個電路，把微小的電流轉成容易處理的電壓並放大。這個電路稱為轉阻放大器。

變成電壓的訊號，每秒會被轉成數字數十次到數百次。做這件事的電路，稱為類比數位轉換器（ADC）（詳見「類比IC是什麼？」）。陽光和室內燈光，也會從手腕的縫隙鑽進來。因此也要測量LED熄滅那一瞬間的光，再從點亮時的數值中扣掉。

有些晶片，把從驅動LED發光的電路到轉成數字的電路，全部整合在一起。這種晶片稱為類比前端（AFE），在感測器正後方負責最初的處理。例如德州儀器（TI）的「AFE4404」。它的資料說明了一種方式：設定一段只測量周圍光線的時間，再把這部分扣掉。

原理3：從波形算出「每分鐘幾次」

這串數字裡，也混著心跳以外的起伏。呼吸的動作、手錶壓在皮膚上的力道變化，會形成緩慢而大的起伏。電路和光線的細微雜訊，則是快速而小的起伏。為了只留下心跳的節奏，要用計算去除不需要的起伏。

最簡單的去除方法，是把最近幾個數值平均起來。快速的雜訊平均之後會互相抵消，留下平滑的波形。這種計算稱為移動平均濾波器。實際的產品會組合更講究的計算，Garmin也表示自家的計算方法是獨家的。

從整理好的波形，測量一個波谷到下一個波谷的時間。間隔1秒，1分鐘（60秒）就是60次。間隔0.75秒，就用60除以0.75，得到每分鐘80次。這裡為了簡化，只用1次心跳來計算。實際上會把好幾次心跳平均後再顯示。

原理4：分辨手臂的動作

跑步或揮動手臂時，手錶會在皮膚上稍微滑動，壓住的力道也會改變。於是反射回來的光量也跟著改變，產生很像心跳的波形。這是用光測量的心率計最大的難題。Garmin也把汗水、振動、溫度、姿勢、與皮膚距離的變化，列為干擾訊號的原因。

因此要用到手錶裡的加速度感測器。它是測量手臂以什麼節奏移動的小元件（原理請見「MEMS是什麼？」）。簡單來說，如果光的波形裡有和手臂擺動相同的節奏，就視為動作造成的而去除。剩下的節奏，就當作心跳來追蹤。另外測量雜訊再扣掉的想法，也和「主動降噪（ANC）是什麼？」相通。

手臂擺動的節奏接近心率時，就很難分辨。有一項研究，用也會利用加速度的計算方法，追蹤12人以最高時速15 km跑步時的心率（Zhang等人，2015年）。誤差平均約每分鐘2.3次。不過，這是在固定條件下的研究結果，並不代表產品的準確度。

數字會有誤差的原因

整理各公司官方的說明，誤差的主要原因有以下4個。

• 配戴方式：太鬆的話，光會從縫隙漏進來，或每次動作時手錶都會移位。Fitbit建議運動時戴在腕骨上方2到3指寬的位置，不要戴得太緊。
• 動作：根據Apple的說明，跑步或騎自行車這類規律的動作，比網球或拳擊能得到更好的結果。
• 寒冷：天冷時流經皮膚的血液減少，變化會變小。Garmin建議在寒冷的地方，先在室內暖身再開始。
• 刺青：根據Apple的說明，依墨水的顏色、圖案和濃淡，感測器的光可能會被擋住。

膚色的影響，目前仍有爭論。美國杜克大學等單位在2020年的研究，以53人調查了6款裝置的心率。膚色造成的誤差差異，沒有大到「不能說是偶然」的程度（也就是沒有統計上顯著的差異）。另一方面，運動時的誤差平均比靜止時大約30%，不同裝置之間也有差異。

對於這項結果，有意見指出人數太少、以外觀區分膚色的量表有問題，提醒大家謹慎看待。原本的研究者也回應，單憑一項研究無法斷言「沒有差異」，還需要進一步調查。Apple在2022年的資料中寫道，皮膚的色素很容易吸收手錶使用的光。因此，Apple表示會調整LED的電流，以及接收端的放大程度。

根據Apple的說明，訊號較弱時，會讓LED更亮、增加測量次數來補足。在手腕上測量不穩定時，Apple也介紹了改用藍牙連線的胸帶式心率計的方法。Apple、Fitbit、Garmin都把配戴方式，列為準確測量的首要訣竅。

心電圖（ECG）：量的是電，不是光

心臟的肌肉，是依電的訊號收縮。這個訊號也會以微小電壓的形式傳到身體表面，把它記錄下來的就是心電圖（ECG）。PPG看的是「心跳的結果所增加的血液」，心電圖看的則是「引起心跳的電」本身。

Apple Watch的背面和側邊的旋鈕（數位錶冠）上，有接收電的金屬部分，稱為電極。用另一隻手的手指觸碰旋鈕，就能測量隔著心臟的左右手臂之間的電壓。在這個狀態下記錄30秒。Apple建議記錄時把手臂放在桌上或腿上，保持不動。

電極收到的電壓非常小，還會混入周圍的電氣雜訊。因此心電圖的電路一般只放大兩個電極電壓的差，讓同樣出現在兩邊的雜訊互相抵消。這種電路稱為差動放大電路。

醫院使用從12個方向觀察心臟電活動的心電圖。手錶的記錄，接近其中一個方向（第I導程）。美國食品藥物管理局（FDA）在2018年，認可這個App為不需醫師處方即可使用的心電圖軟體。在日本，它於2020年以「家庭用心電計程式」取得日本厚生勞動大臣的核准，並從2021年1月起可以使用。

即使如此，手錶的心電圖本身並不是診斷。Apple表示，這個App無法偵測心臟病發作、血塊（血栓）或中風。Apple也說明，如果因為胸痛等原因，認為自己可能心臟病發作，應立即聯絡緊急救護單位。日本厚生勞動省也在2021年1月27日，向日本各都道府縣發出關於這些程式「適當使用」的通知。

血氧（SpO2）：比較紅光與紅外線

與氧氣結合的血紅素，和沒有結合的血紅素，吸收紅光與紅外線的程度不同。因此照射這2種光，比較心跳造成的變化大小，就能推估與氧氣結合的比例。這個比例稱為SpO2。

能測量血氧的Apple Watch機種，除了綠光之外，也有紅光和紅外線的LED，並用這種方法測量。利用心跳測量氧氣比例的原理，是日本光電公司的青柳卓雄發現的，並在1974年於學會發表。夾在指尖的脈搏血氧儀，也是使用這種方法。

不過，Apple表示血氧功能並非醫療用途，而是用於健身與健康管理。FDA也說明，以一般健康用途販售的血氧測量儀器，並未經過FDA審查。FDA也列出膚色、血液循環不良、皮膚溫度、指甲油等，可能會影響測量。

裡面的晶片與省電的設計

手錶的電池很小，所以每個零件都設計成盡量少用電。LED不是一直亮著，而是只亮極短的時間就熄滅。亞德諾半導體（Analog Devices）的AFE「MAX86141」，可以選擇點亮的時間。亮得久，收到的光較多，比較容易測量；亮得短，則能省電。根據TI的AFE4404資料，擷取PPG訊號期間的平均電流不到200微安培（0.2毫安培）。

負責計算的微控制器，在沒有工作時會停止電路、進入休眠。這種狀態稱為睡眠模式。傳送到手機時，也使用短暫傳送、長時間休息的低功耗藍牙。這種方式也備有傳送心率計數值用的規則。

常見的誤解

從數字來看

心率每分鐘70次的話，1天就是70 × 60 × 24，約10萬次。手錶在手腕上，持續捕捉每一次心跳帶來的微小光線變化。

進一步學習

• 用表格看差異：FIR濾波器與IIR濾波器的差異（整理波形的2種計算方式） / Wi-Fi、藍牙與LPWA的差異
• 用數字試試看：ADC SNR與ENOB計算工具（轉成數字時的精細程度）
• 下一步的用語：運算放大器（把電流轉成電壓的電路基礎） / 暗電流（沒有光也會流的電流） / 有限脈衝響應濾波器（FIR）
• 相關的解說：「運算放大器是什麼？」 / 「手機裡有哪些半導體？」