7 月 27 日，ADI 中國在媒體分享會上，公布了最新的 ADPD7000 傳感器前端芯片。這款芯片在智能手表的心率、血氧、心電等等生命體征監(jiān)測中發(fā)揮了非常重要的作用。愛否科技也有幸受邀參加了這次媒體分享會，并學(xué)習(xí)到了很多關(guān)于智能手表、生命體征監(jiān)測的技術(shù)知識，在這里和大家分享。
但是在說這顆芯片之前，我想先回答大家最關(guān)心的問題：智能手表中的心率、血氧、心電、體脂率檢測是怎么實現(xiàn)的，底層原理是什么�，F(xiàn)在的智能手表，除了大家比較熟悉的這幾項，還能監(jiān)測哪些別的生命體征？準嗎？
心率
心率的監(jiān)測是目前來說最成熟，實現(xiàn)最方便的，也是每一個智能手表的基本功能。其在手表上實現(xiàn)的原理也非常簡單：通過將一束光照射在手腕上的血管，觀察血液流動造成的反射光的周期性變化，即可計算出心跳頻率。
大家可以打開手機的錄像，并且打開閃光燈，把手指放在離閃光燈最近的攝像頭上。在相機拍攝的畫面中你就會看到反射回來的光造成的深淺變化的顏色，這就是你跳動的脈搏。如果計算畫面的平均亮度，就可以得到一條你的脈搏（血流變化）曲線。每一個波峰就是一次心跳。
圖片來自于互聯(lián)網(wǎng)
而事實上早期一些檢測心率的手機 App 就是通過這個方式來實現(xiàn)的。當然智能手表因為功耗考慮，檢測心率不會使用攝像頭和閃光燈，而是通過專用硬件LED 燈和光電二極管。效率和準確率會更高。
Apple Watch 上負責(zé)檢測心率的LED
這種通過光學(xué)檢測心率的技術(shù)稱為「光電容積描記法（PPG）」�，F(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，在理想狀態(tài)下準確率已經(jīng)很高。醫(yī)用的血氧心率夾就是使用的這項技術(shù)，只不過醫(yī)用血氧夾一般采用的是穿透式，讓光穿過手指，能獲得的信息質(zhì)量更高，更容易做準確。而手腕的厚度光難以穿透，所以使用的是反射式，采集到的原始信號極其微弱，想做準確，難度會更高。
心率變異性（HRV）
而 PPG 法不光可以獲取到心率，還能獲取其他心臟方面有價值的信息。還記得我們剛才提到的曲線嗎？
PPG 法獲取到「曲線」的其實是血流的動態(tài)隨時間變化的趨勢這個原始信息，所以我們不光可以通過這個信息計算出心率，還能算出另一個跟健康有關(guān)的重要參數(shù)：心率變異性（HRV），也就是每一次心跳之間時間間隔的微小差異（圖中R-R interval的變化）。HRV 的計算方式有多種，手表上的 HRV 的計算方式一般是均方差。這個數(shù)據(jù)與壓力水平、心血管健康都有一定的關(guān)系。
人在不同運動狀態(tài)下，會有不同的心率，而負責(zé)調(diào)控心率變化的，是人的自主神經(jīng)系統(tǒng)，也稱為「植物神經(jīng)」，分為交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)。而 HRV 數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的處理，就能夠反映出自主神經(jīng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。用一個通俗的比喻來說，心率高低就好比汽車的時速的快慢，而心率變異性的高低就對應(yīng)的是控制汽車的剎車和油門是否靈敏。
Apple Watch 跟蹤的心率變異性數(shù)據(jù)
一般來說，HRV 在合理范圍內(nèi)越高，說明該用戶的身體狀況越好。當然智能手表測量的 HRV 也有一定局限性，但是通過長期跟蹤一個人的 HRV 趨勢，可以對用戶的整體健康狀況的判斷有很大幫助，這點是傳統(tǒng)的醫(yī)療設(shè)備做不到的。
血氧
使用 PPG 法還能檢測另外一項重要的生命體征，就是血氧飽和度，即血液中的氧濃度。這個數(shù)據(jù)直接表示了用戶是否存在缺氧癥狀。一般來說在平原地區(qū)正常情況下血氧飽和度為 100%，低于 90% 說明存在一定缺氧癥狀，而低于 80% 說明用戶有嚴重缺氧。
血氧飽和度的直接測量方式是從動脈采集血樣，使用血氣分析儀得出。而目前智能手表血氧監(jiān)測的原理是：根據(jù)血液中氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧合血紅蛋白（Hb）對紅光和紅外光的吸收率不同的特點，向皮膚照射紅光和紅外光，對兩者返回的結(jié)果進行比較，最后通過算法計算出血氧。如果你佩戴 Apple Watch，在關(guān)燈并且身體靜止的時候，發(fā)現(xiàn)手腕亮起紅光，就是正在進行血氧檢測。
相比于心率檢測，智能手表上的血氧監(jiān)測準確度一般更低（尤其是在極端數(shù)據(jù)上）。因為其信號要更微弱，更容易受復(fù)雜環(huán)境的影響，對硬件和用戶操作的要求會更嚴格。所以大部分智能手表設(shè)備在檢測血氧時要求用戶靜止不動，會有一定的失敗概率，并且也很難做到實時連續(xù)監(jiān)測。
因為智能設(shè)備上的血氧檢測精確度目前仍然難以做到真正醫(yī)療級的水平，所以它對于健康的普通人來說，最大的意義可能不是長期監(jiān)測趨勢，評估健康狀況，而是對「缺氧」這一「初期很容易被人忽略，但發(fā)現(xiàn)時后果已十分嚴重的」狀況做出實時預(yù)警。
例如作者我兩年前曾在海拔 5000m 的高原地區(qū)夜間在車內(nèi)休息，因為氣溫較低，通風(fēng)較少，產(chǎn)生了一定的缺氧癥狀，Apple Watch 曾提醒我的血氧濃度為 66%（實際并沒有這么低，按照癥狀比對約為85%左右）。我收到通知醒來時，確實有比較嚴重的頭痛，血氧檢測功能確實為我避免了一次潛在的健康風(fēng)險。
以上幾項都是通過光學(xué)方式，可以獲得的生命體征信息，接下來我們來說說通過采集身體電信號能獲得的生命體征信息。
心電圖（ECG）
大家應(yīng)該對心電圖不陌生，在體檢的時候都做過。就是通過在身體一定位置放置多組電極，捕捉并放大微弱的心電信號，并進行記錄，專業(yè)的醫(yī)生通過查看心電信息，即可診斷出心臟的健康狀況。
但與醫(yī)療機構(gòu)中做的十二導(dǎo)聯(lián)心電圖不同，絕大部分智能手表由于形態(tài)限制，搭載的 ECG 功能均為單導(dǎo)聯(lián)，只有兩手之間的一條回路，獲取到的心電信息維度有限，能反映的心臟問題比較少，目前大多數(shù)只能判斷竇性心律不齊和房顫。而不能反映更復(fù)雜的心臟問題，并且都需要用戶主動檢測。對于大部分心臟功能健康的用戶，這項功能基本上只在買手表的頭一兩個月會經(jīng)常使用，之后就基本用不到了。
但是這并不代表手表上的 ECG 功能是「安慰劑」，大部分支持 ECG 功能的手表，會在日常的持續(xù)的光學(xué)心率檢測中檢測心率不齊的征兆，但通過光學(xué)方式獲取到的信息畢竟有限，存在一定的誤報率。只能是多次確定有明顯征兆后，再提醒用戶主動捕捉更準確的心電圖（ECG）來二次確認。ECG 確認大概率有心律不齊和房顫后，再提示用戶盡早就醫(yī)確診，避免更嚴重的問題發(fā)生。
它的目的并不是讓用戶每天做心電圖確認自己心臟是否健康，這項功能對于普通人來說，最大的意義是預(yù)防，給自己上「保險」。也就是說：手表說你心臟沒問題，不代表心臟真的沒問題，但要是手表說你的心臟有問題，那大概率是真的有問題。
身體成分測量
同為電測量方式，但對于大部分用戶更實用的是身體成分測量，尤其是體脂率的測量。這項功能大家應(yīng)該在體脂秤上并不陌生，將微弱電流通過電極導(dǎo)入人體，即可測量出身體的生物電阻抗（BIA），通過一系列阻抗數(shù)值代入對應(yīng)身高體重性別模型，即可計算出出包括體脂、身體含水量、去脂體重等身體成分信息。
ADPD7000 demo 手表
在這次 ADPD7000 的 demo 手表上，我和在場的多位友媒老師也體驗到了身體成分測量的功能，并且和現(xiàn)場的專業(yè)身體成分測量儀的數(shù)據(jù)進行了比對，其中體脂率的差距基本在 2% 之內(nèi)（約等于 7% 的誤差），我個人用 demo 手表多次測試結(jié)果也非常穩(wěn)定，多次數(shù)值差距在 0.5% 之內(nèi)（約等于 2% 的誤差）。
專業(yè)八電極身體成分分析儀的數(shù)據(jù)（26%）
ADI Demo Watch測試得到的數(shù)據(jù)（24.78%）
至少從這個小樣本的數(shù)據(jù)來看，搭載 ADPD 系列芯片具有體脂檢測功能的手表，體脂數(shù)據(jù)已經(jīng)有了一定的參考價值。而三星的 Galaxy Watch 4 和 5 上的身體成分測量功能，也由 ADPD 系列的前代產(chǎn)品驅(qū)動。
相比于體脂秤來說，用智能手表檢測體脂無需脫鞋脫襪。整個過程只需要另一只手兩指抓住手表上的兩個電極，等待約 3 秒左右，即可獲得完整的身體成分測量數(shù)據(jù)。這對于運動愛好者來說，會是一個更方便的選擇。
ADPD 7000
而負責(zé)驅(qū)動上面的各種光、電信號發(fā)射端，并將傳感器收到的模擬信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號橋梁。就是我們今天在會上看到的主角：由 ADI 中國事業(yè)部開發(fā)的 ADPD7000 多模態(tài)傳感器前端芯片。
這顆模擬芯片包含了 8 個 LED 驅(qū)動器、4 個光學(xué)輸入通道的 PPG（光學(xué)測量）通道、1 組 4 電極 ECG（心電圖）通道、一組 BIA（生物電阻抗）通道，一路 GSR（皮膚電反應(yīng)）通道，以及對應(yīng)的 ADC、時鐘、濾波等電路。它負責(zé)驅(qū)動 LED 原件、并把原始的傳感器信號經(jīng)處理轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量的數(shù)字信號，發(fā)送給手表的 SoC 進行處理。這一切，全部封裝在僅 2.8x2.6x0.4mm 的體積內(nèi)，兩顆芝麻粒的大校
ADPD7000功能框架圖
有的時候不得不感嘆現(xiàn)代科技的進步，讓智能手表在這么小的體積內(nèi)，慢慢實現(xiàn)了之前幾十公斤重的醫(yī)療設(shè)備的功能。
這次的 ADPD7000 相比前代的 ADPD6000，第一個升級就是 LED 驅(qū)動從 4 個提升到了 8 個，LED 驅(qū)動數(shù)量的提升，代表了這顆芯片可以支持更多組的 PPG 傳感器。
還記得我們之前提到的：「在理想條件下，PPG 的已經(jīng)足夠準確了」這句話嗎? 更多的傳感器并不是全為了提升準確度，更多是為了「非理想條件」下提升穩(wěn)定性。
單組 PPG 傳感器的手表在人靜坐佩戴時，心率測量精度不會有太大問題，但一旦在運動中，傳感器的位置很可能出現(xiàn)偏移，獲取到的數(shù)據(jù)質(zhì)量也會變差。當佩戴者有紋身、或者體毛較為濃密的時候，也可能會出現(xiàn)類似的問題。但多組傳感器，互相冗余，保證在上述復(fù)雜條件下，總有一組能獲取到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。大部分追求測量準確的智能手表，都會有這樣多組傳感器互相冗余的設(shè)計。這就要求傳感器的前端芯片有更多通道驅(qū)動和輸入的能力。
而第二個升級就是新增的皮膚電信號（GSR）的測量通道。這個通道在部分電路上復(fù)用了 ECG 和 BIA 的電路。
說起皮膚電信號大家可能會有些陌生，但是大家在影視作品里經(jīng)�？吹降臏y謊儀，測量一個參數(shù)的就是皮膚電信號。最早期的測謊儀是通過測量心率和呼吸頻率來判斷一個人是否說謊的，因為大多數(shù)人在說謊時心率和呼吸頻率會加快。但是后期發(fā)現(xiàn)，有一些「訓(xùn)練有素」的人可以做到在說謊時「不動聲色」，讓心率和呼吸頻率沒有特別大的變化。而皮膚電反應(yīng)和出汗由于直接由自主神經(jīng)控制，不受意識影響，更難于隱藏。所以一直被用作測謊儀的一項重要參數(shù)。當然為了提高準確度，現(xiàn)在的測謊儀也引入了聲音、身體抖動程度等更多維度的測量。
早期測謊儀，圖片來自于互聯(lián)網(wǎng)
除去「測謊」這個用途以外，皮膚電反應(yīng)在人類的情緒、尤其是緊張程度和壓力的評估方面，一直有著很高的價值。通過和心率、心率變異性等數(shù)據(jù)結(jié)合分析，已經(jīng)有一些智能手表產(chǎn)品可以做到對用戶的壓力進行客觀量化評分。
使用 ADI 芯片的智能穿戴設(shè)備進行的壓力/抑郁風(fēng)險評估
當然人的情緒、壓力也會受到主觀因素的影響，復(fù)雜度很高，皮膚電活動和心率等參數(shù)只能反映部分維度，兩者之間更可靠的關(guān)系還需要大量的數(shù)據(jù)分析來建立模型。但是相信隨著技術(shù)的部分發(fā)展，情緒和壓力的測量也會做到越來越準確。我個人大膽猜測，蘋果在今年 WWDC 上 iOS 和 watchOS 的「情緒記錄」功能，或許就是在進行數(shù)據(jù)的收集，或許以后的情緒、壓力將可以由手表自動檢測，而不需要人工記錄。
iOS 17 中新增的「情緒記錄」功能
這部分其實更考驗的是手表終端廠商的算法積累，而對于一款傳感器前端芯片來說，要做到的就是盡可能提供最高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)了。我們也在現(xiàn)場 demo 手表體驗了原始的皮膚電信號數(shù)據(jù)的測量。我佩戴著 demo 手表，故意制造了一些高度緊張、并且一定會導(dǎo)致皮膚電活動增加的「狀況」：打音游。
音游中為了得到更高的分數(shù)，并且保持 FULL COMBO 不斷連，精神會高度集中。從圖表可以看到，游戲開始以后皮膚電活動明顯一直處于高位，一直緊張，一直刺激，確實這很符合這類游戲的狀況（笑）。但很遺憾現(xiàn)場時間有限，我們沒能進行更復(fù)雜的測試。「如果說現(xiàn)場能戴著這個手表打一局 CSGO，那么打 1v5 殘局的時候，估計數(shù)值能和觀戰(zhàn)的時候有非常明顯的區(qū)別。」
另外這顆芯片相比前代也提升了部分電路的信噪比，很好理解。在發(fā)射 LED 同樣的功耗下，更高的信噪比有助于獲得更高的信號質(zhì)量，提升測量準確度，尤其是復(fù)雜環(huán)境下的準確度，比如皮膚干燥、深色膚色等。而在同樣的準確度下，可以降低 LED 發(fā)射的功率，為手表設(shè)備節(jié)省寶貴的電力，延長續(xù)航時間，或者提高測量頻率，獲得更細致的數(shù)據(jù)。
展望
除去上面所說的智能手表上比較成熟的功能，我個人也對一些目前尚未大規(guī)模商用，或仍在研發(fā)中，但可能對我們生活有很大影響的「未來功能」很感興趣。在會后的問答環(huán)節(jié)，我也向 ADI 中國產(chǎn)品事業(yè)部的高級市場應(yīng)用經(jīng)理何源老師，請教了這兩個問題�？纯粗悄苁直斫窈筮�能為我們帶來什么便利。
ADI 中國產(chǎn)品事業(yè)部的高級市場應(yīng)用經(jīng)理 何源
十天：「我在去年參與您公司 ADPD 6000 系列的媒體分享會的時候，了解到了現(xiàn)在智能手表已經(jīng)可以做到無袖帶血壓監(jiān)測（CNIBP）了，只通過智能手表，不需要氣囊打氣，就能監(jiān)測血壓。這項功能如果能大規(guī)模商用，會給高血壓群體帶來很大的便利。它是怎么實現(xiàn)的，目前還沒有大規(guī)模商用的原因是什么」
何源：「無袖帶血壓監(jiān)測有兩種實現(xiàn)方式，一種是通過 PPG，建立光學(xué)信號和血壓之間的關(guān)系。另一種是光電結(jié)合，通過檢測光學(xué)信號和電信號分別反應(yīng)的血流和心臟動作的時間差，來推測血壓。我們已經(jīng)有合作伙伴做出來對應(yīng)的產(chǎn)品了，硬件已經(jīng)準備好了，但是在大規(guī)模商用之前，軟件上需要大量的高（低）血壓患者數(shù)據(jù)進行驗證，才能保證準確性、有效性。不像心率、運動能力、體脂之類可以收集信息的人群比較廣，這部分數(shù)據(jù)是比較難收集的�！�
搭載 ADI 芯片的手表進行無袖帶血壓監(jiān)測的數(shù)據(jù)與血壓計的數(shù)據(jù)對比分布
十天：「ADPD7000 新增的皮電監(jiān)測非常有意思，搭載這個功能的智能手表能不能做到和智能家居比如空調(diào)之類聯(lián)動，我平時在家里運動的時候，熱到出汗的時候，或者平時坐著的時候突然心煩意燥出汗了，還要手動去調(diào)空調(diào)。之后有沒有可能通過手表監(jiān)測皮電信號、體溫、心率等生命體征參數(shù)，把空調(diào)做得更智能，再也不用調(diào)呢?」
何源：「你說的這個功能很有可能實現(xiàn)，原理上是可行的，皮電信號能很好的反應(yīng)出汗的現(xiàn)象，和心率、HRV、體溫等數(shù)據(jù)結(jié)合起來可以判斷出人是否感覺到熱�？梢宰龅礁鶕�(jù)你的身體狀態(tài)去調(diào)整空調(diào)。不光是這個，包括未來還可能和汽車、跑步機等聯(lián)動，這些設(shè)備都能更加知道你的狀態(tài)，自動去調(diào)節(jié)，但是這個一定是需要很多應(yīng)用和算法去適配的。只能說目前我們的硬件是具備這樣的能力的，但具體的產(chǎn)品什么時候出來、怎么出來、靠不靠譜，還要看終端廠商的調(diào)校能力�！�
或許數(shù)年之后，我們的生活就會如何源老師所說「你的手表可能會比你更了解你自己」。智能手表將不光能對個人的健康給出更全面的建議，也能更智能地知道你此時此刻需要什么，而不用你動手，動口，而我們的生活也將變得更智能化。
而我們在這個過程中，也會一直見證這個行業(yè)的進步，不光關(guān)注最終的產(chǎn)品，也會關(guān)注像 ADI 這樣更上一級的供應(yīng)商，關(guān)注底層技術(shù)、芯片的發(fā)展。
提示：
1. 本文作者并非醫(yī)學(xué)專業(yè)，文章中所提到的醫(yī)療與健康信息不能完全保證嚴謹性，不能保證適用于所有人，僅供智能穿戴設(shè)備技術(shù)科普用途，如有錯誤，請批評指正！具體健康或醫(yī)學(xué)問題請咨詢相關(guān)專業(yè)人士。
2. 智能穿戴設(shè)備的健康檢測有一定局限性，請以相關(guān)醫(yī)療認證為準。
3. 本文所表達的觀點不代表 ADI 的觀點，ADI 亦未對愛否科技的觀點表達有任何影響。
4. 本文中使用了作者本人的 Apple Watch 作展示，但不代表其使用了 ADI 的相關(guān)技術(shù)或產(chǎn)品。
撰文 / 十天
編輯 / 愷倫
責(zé)任編輯 / 愷倫
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