血氧心率传感器血氧传感器一夜成手表新宠，含金量到底有多高？

发布时间：2024-10-06 17:10:27

血氧传感器一夜成手表新宠，含金量到底有多高？

今年9月，苹果新一代手表Apple watch 6推出测血氧功能，之后的一两个月里，带有测血氧功能的智能手表扎堆发布，vivo WATCH、华为手表GT2、荣耀手表GS Pro、华米Amazfit GTR 2和GTS 2等旗舰级智能手表几乎都包含这一功能。

10月，华米科技发布售价仅为299的Amazfit Pop也配备测血氧功能，血氧传感器已开始向中低端机渗透，或将掀起更大的浪潮。

那么，智能手表上的测血氧功能究竟是什么？其发展前景如何？

图片源自苹果官网

从临床检测走向大众的血氧检测

智能手表的测血氧功能，事实上是通过测量人体动脉血氧饱和度来判断是否健康，血氧饱和度具体是指血液中与氧气结合的血红蛋白含量占比，即血液中血氧的浓度。

一般而言，若血氧饱和度在94%以下，就会被视为供氧不足。许多临床疾病都会造成供氧不足的情况，直接影响细胞正常的新陈代谢，严重时更是会威胁生命，因此血氧检测对于临床医学而言十分重要。

追溯血氧测量最原始的方法，需要先采血，再经过血气分析仪进行电化学分析，最终得出血氧饱和度。这一方法步骤繁杂，且无法实现连续检测。

不过随着临床医学的发展，如今普遍采用无创式血氧测量，只要为患者佩戴一个指压式光电传感器，就能实现连续性的血氧检测。其实质是使用波长660nm的红光和940nm的近红外光作为摄入光源，测定通过组织床的光传导强度，计算血氧浓度及血氧饱和度，经仪器显示结果。

图片源自Getty Images

用智能手表测血氧的原理类似于指压式测量，但不同的是，手表发射光源所照射的部分是手腕，并不像手指那样“透明”，可见光与红外光无法穿透，因此更具挑战性。

但智能手表作为使用频率十分高的可穿戴设备，其发展空间的刺激远远大于需要面临的挑战。

“vivo智能手表之所以决定加上测血氧功能，是因为认为血氧监测是当前智能手表在健康领域的重要一步。”vivo资深工程师说，“与其他智能设备不同，智能手表被用户全天佩戴，给数据监测提供了很大的想象空间。我们希望它能持续进化，监测更丰富、更重要的健康数据。”

10月20日，华米科技创始人兼CEO黄汪在微博上发布文章《血氧，应该成为智能手表的标配》，他指出，疫情下，血氧饱和度已经成为了新冠的辅助检测手段，通过可穿戴设备持续监测血氧变化，结合心率数据，可以发现潜在的呼吸暂停问题。“血氧如此重要，旗舰智能手表今年纷纷搭载血氧监测，当然也就不足为奇了。”

艾迈斯半导体现场应用工程师经理李铭豪认为，“智能手表测血氧对监测人的运动状态，高原反应的监控以及老年病人身体状态的监控都有一定的帮助。”

那么，智能手表究竟是如何测血氧的？用手表测血氧真的靠谱吗？

光学传感器是智能手表测血氧的核心

“智能手表的血氧监测模块由光学传感器、前段信号采集系统、算法三部分组成。 其原理是根据血液中氧合血红蛋白（HbO2）和脱氧合血红蛋白（Hb）对红光和红外光的吸收率不同的特点，通过光学传感器向皮肤照射红光和红外光，然后得到经皮肤下血管反射后的红光和红外光，最后通过算法计算出血氧。”华米科技一位资深技术人员告诉雷锋网。

光学传感器是血氧检测模块的核心，通常由若干个LED灯和二极管组合而成。 苹果官网显示，Apple Watch 6配备的血氧传感器由四组LED光簇和四个光电二极管组成，并集成在水晶玻璃表背之中。

雷锋网了解到，如果要求一块智能手表既能测心率，又能测血氧，是可以经由同一颗光学传感器实现的。

艾迈斯半导体已经推出了集成测血氧和测心率功能的光学传感器。李铭豪表示，“测心率通常用绿光，测血氧用红光和红外光，相比于只能测心率的光学传感器，能同时实现两项功能的光学传感器在组成上通常会增加若干个红光和红外光LED。”

图片源自艾迈斯半导体官网

作为测血氧的核心，光学传感器的精度对于测量结果的准确性至关重要。 例如，二极管产生的红光波长出现偏差，就可能导致测量结果不准确。

“智能手表测血氧，是通过测毛细血管得到的信号，信号非常微弱。通常这个信号淹没在上面，反馈的信号可能只有1%左右是有用的。因此，光学、滤波等设计非常重要。”李铭豪说。

目前，业界的公司都在采取各种措施提升精度。

华米科技资深技术人员表示，“任何一个传感器都存在各种各样非理想情况的误差，在控制误差方面，华米在选择光电器件时对所有的关键参数进行严格测试和评估，其次，华米的每个产品在产线都经过多次测量，保证出厂产品参数精度在设计的范围内。另外，在设计之初选择人体皮肤光谱吸收率曲线相对平坦的波段，限定波长误差对血氧结果的影响在可接受的范围内。”

增加传感器的数量也是提升精度的方法之一，vivo watch 就是配置自研5核光学心率血氧传感器实现测血氧功能。 “5核指的是由5颗传感器组成的多传感系统，其中电路与光学设计是vivo自主研究的成果，相比行业内单传感器或多传感器设计，它的信号接收面积更大，接收能力更强，能够实现更加精准的监测效果。”vivo资深技术人员表示。

不过，从目前智能手表测血氧的实际效果来看，虽说有精度的提升，但距离实现医疗级别的血氧监测，还是有一定的差距。在传出Apple Watch 6测血氧功能不准确的消息时，苹果公司就出来澄清过，该功能仅作为健康参考，不作为医疗诊断标准。

“消费类和医疗类的精度要求是不同的，以心率为例，手腕上差几跳脉搏都是没有问题的，但在医疗上，就只能有1-2跳的差距。”李铭豪说。

雷锋网了解到，目前还没有一款智能手表上的测血氧功能通过NMPA或FDA认证，即达到医疗诊断水平。

下一步，更多的可穿戴设备？

未来，基于光学传感器的血氧监测是否有更广阔的发展空间呢？

观察其他智能传感在可穿戴设备上的发展，准确性越高、体积越小、功耗越低，可适用的场景就越多。

谈及血氧传感器未来的发展，华米科技认为，未来的血氧监测将是更准确、更无感、以及运动连续血氧监测和更多的健康服务，其中更准确指测量结果更准确，更无感指降低测试时对用户的要求，更多的健康服务指的是通过血样参数，监控儿童哮喘以及其他心脏疾病状态。

另外，华米也已有计划让其血氧检测功能通过NMPA认证，对于具体进展，华米表示会在合适的时间同大家分享。

当精度提升之后，会有更多的可穿戴设备搭载血氧传感器吗？

华米科技向雷锋网透露，增加一个测血氧功能，硬件成本增加不大，血氧的研发投入主要在于光学模组设计、算法设计以及测试，由于这些设计具有通用性，批量出货后，成本增加就不明显了。这意味着，血氧传感器未来的发展，受成本影响较小。

李铭豪表示，“在耳机或者其他可穿戴设备装上血氧传感器是可能的，但如果用真无线耳机测血氧，功耗将是问题。我们也一直在提出一些新方案，新的应用场景，但具体结合还要看市场需求。”

因此，短期来看，血氧传感器的下一步发展将是在智能手表上精度的提升，但距离进入更多的可穿戴设备，也并不遥远。

只有心率血氧心电老三样？看看以后的智能手表都能干啥

不知道大家每次看各大厂商的发布会，发现现在的智能手表在生命体征、健康检测上，仍然是几年前就有的心率、心电、血氧这老三样，会不会有些失望？更多的健康检测功能究竟什么时候来？这次我们很荣幸受到了这个行业的源头芯片厂商 ADI的邀请，参加了他们最新的生命体征监测（VSM）传感器前端芯片「ADPD7008/700X」的媒体分享会，听了他们对于可穿戴设备健康检测的最新进展的分享。在会后我也和专业人士聊了聊，属实让我大开眼界。这次我们一样先聊聊技术发展，再来聊聊芯片本身。心率、血氧、心电监测这老三样几乎在高端智能手表中已经是标配，背后的 PPG （光学脉搏波）和ECG（心电）在传感器硬件和算法层面都已经被挖掘到了极致，只会逐步提升准确度，而不太会有更新的应用。我们去年也写过一篇文章详细介绍它们的原理。而智能手表健康检测下一个大的方向会是：情绪。而情绪监测在技术原理上，主要基于 Bio-Z （生物电阻抗监测），配合ECG和PPG。但有一个问题，人的情绪真的能被机器检测到吗？能检测到什么情绪？准不准？答案是能检测到，并且可以客观量化。并且早在智能可穿戴设备出现之前，人们就已经着手在做这方面的研究，并且有非常成熟的成果。「效价-唤醒」模型（Valence-Arousal Model）是心理学与情绪研究学中最知名的人类情绪量化模型之一。这个模型由效价（valence）和唤醒（arousal）两个维度构成。效价指情绪的愉悦程度，从极度负面（如悲伤、愤怒）到极度正面（如快乐、兴奋）；唤醒则描述情绪的激活水平，从低唤醒（如平静、放松）到高唤醒（如紧张、激动）。

通过这两个维度，可以将情绪状态定位在一个二维空间中。例如，高效价高唤醒的情绪如兴奋和快乐，高效价低唤醒的情绪如满足和宁静，低效价高唤醒的情绪如愤怒和焦虑，低效价低唤醒的情绪如悲伤和沮丧。在科研用途中，进行这样的情绪二维分类的应用已经很成熟，准确度也极高。人体的部分肌肉、脑电可以直接反馈情绪的效价（如各种面部表情），而心率、汗腺的活动水平能明显反馈唤醒程度，同时也能一定程度反馈效价。这些生物电信号由人的植物神经控制，很难隐藏。但准确的前提是需要在被试者身上布置多组电极，监测这些生物电信息。这种监测方法类似抽血监测血氧，可以视作「金标准」。

（图片来自于Kushki, Azadeh等，Creative Commons）但想让这样的情绪监测设备小型化，便携化，在以前是不现实的。因为可穿戴设备在之前无法完成多点的数据监测，只能监测手腕一点的肌电信号，获得的原始信息非常有限，准确度也极低。直到最近几年机器学习迅猛发展……仅凭手腕一点的生物电信号虽然无法直接反馈出情绪的全貌。但其中蕴含的信息也非常丰富，在面部等直接反馈情绪的数据点有明确信号的时候，身体其他部分的电信号也会有对应的模式。经过研究，使用手腕的生物电信号配合心率、动作的监测，在研发端，通过与金标准进行核对，进行大量的机器学习训练，是可以做到仅凭有限信息，也能对情绪做到相对准确的分类的。而最近几年机器学习硬件算力的大提升，使得智能手表这样的小型化设备也能完成低功耗的端测推理与持续监测。经过与ADI中国产品事业部高级市场应用经理何源老师的沟通，我们了解到，现有的智能手表产品其实已经可以较为准确的做到压力、分心、疲劳程度的监测，也能进行一定程度的情绪分类，比如情绪简单分类、抑郁程度识别、路怒症识别。相关功能的开发过程也很有意思，例如研发的数据采集阶段，会在不告知被试者的情况下，在受控环境中刻意制造一些引发愤怒和惊吓的场景，如红灯转绿灯时前车堵路不起步、故意制造一些使人惊吓的声音等。但同时，因为情绪数据采集最大的难处是，它不能像心率血氧等数据可以被动采集，短时间就能完善算法，需要大量的受试者主动参与。所以在应用场景上，目前确实还是以行业应用（如教育教学、驾驶员监测、心理疾病监测）为主，想要做到大规模应用还需要多一点时间。ADI在会上公布的最新 ADPD700X 传感器前端芯片，主要功能就是进行 Bio-Z 信号的采集。它是去年我们提到过的 ADPD7000 芯片的改款，去除了 PPG/ECG （心率/心电）部分的电路，只保留BIA/EDA（生物阻抗/皮肤电导）相关电路。精简电路并重新设计以后，做到了BIA/EDA部分相比原始芯片更高的信噪比和准确度，减小了芯片封装的尺寸和更低的功耗，同时也降低了成本。在实验室测试中，能做到与金标准2%的误差。

部分智能手表已经有了非常成熟的电路和传感器设计，PPG/ECG功能可能已经做了高度集成。厂商不想改动原有设计，只需要增加Bio-Z部分，如果使用ADPD7000，PPG/ECG功能重复，就会造成浪费，这款新芯片就是更好的选择。同时，ADI中国产品事业部也推出了和ADPD700X相对，仅有PPG功能的ADPD7008，同样做到了更低功耗更高性价比。而在算法方面，ADI 中国产品事业部也推出了更完善的一些基础算法。比如自研的SCD活体检测算法，可以避免在火腿肠等非动物上测出心率。虽然这种情况非常罕见，但对不明白消费者遇到的时候，就可能会造成一定的困惑。这项功能的实现无需改动硬件，只是单独的软件算法。而在心率、血氧、压力、HRV等传统功能上，ADI也更新了更完备的公版算法，同时在生产方面，也给厂商准备了完善的量产交付工具，并且提供协助设计和检测的服务。事实上，这款芯片的前代版本已经在一些海外合作伙伴的手表类产品中广泛应用，并且它们已经开发出了功能较为完善的情绪监测软件。当然 ADI的芯片业务主要面向的都是厂商，对于我们普通消费者来说，这些更新意味着什么？我觉得更多小体量厂商，或者不以手表为主营业务的手机厂商，将更有机会推出智能手表，如果采用ADI的芯片，其健康检测的准确度将得到提升。另外，我预计情绪监测等基于生物电信号的健康监测，将在今后几年快速铺开，大家将很快在自己的手表中看到这项功能。同时会上 ADI 也公布了最新的医疗安全认证芯片系列。这些芯片的主要功能是进行医疗配件正品认证和耗材使用寿命管理，部分医疗配件有严格的使用寿命限制，例如超声刀，使用超过一定小时数后，输出功率会明显下降，会直接造成手术效果不及预期，甚至造成患者生命危险。而ADI的安全认证芯片可以通过密码学手段和PUF技术，保证主机仅在使用合法且在有效期的配件时，才正常工作。常见技术破解手段（如探针）均无法破解复制。提示：本文作者并非医学专业，文章中所提到的医疗与健康信息不能完全保证严谨性，不能保证适用于所有人，仅供智能穿戴设备技术科普用途，如有错误，请批评指正！具体健康或医学问题请咨询相关专业人士。本文所表达的观点不代表 ADI 的观点，ADI 亦未对爱否科技的观点表达有任何影响。

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