压电心率传感器 MEAS压电薄膜传感器心率检测

发布时间：2024-10-07 02:10:30

MEAS压电薄膜传感器心率检测

大家好，我是【广州工控传感★科技】传感器事业部，张工。

第一部分重点介绍压电薄膜传感器系统的工作原理以及如何使用它们进行测量。

大多数可穿戴设备使用压电薄膜传感器来测量心率和其他生物特征。该方法非常简单，压电薄膜传感器基于以下工作原理：当血流动力学发生变化时，例如脉搏率（心率）或血容量（心输出量），光线进入人体发生可预见的散射。

压电薄膜传感器

MEAS压电薄膜传感器生成测量心率的PPG波形并将心率数据用作基础生物特征值，但 PPG波形可以测量的远不止这些。虽然很难获得和保持准确的PPG测量值（我们将在下一篇文章中详细讨论），但如果您能够成功获得准确的PPG测量值，它可以是强大的。PPG信号是当今市场所需的大量生物识别技术的基础。该信号代表多个生物特征测量值。

下面我们进一步解读MEAS压电薄膜传感器可以测量的结果：

呼吸频率- 休息时较低的呼吸频率通常表明身体状况较好。

最大摄氧量 (VO2max) – VO2 衡量身体可以吸收的最大氧气量，是一种广泛使用的有氧耐力指标。

血氧水平 (SpO2) - 指血液中的氧气浓度。

R-R 间期（心率变异性）- R-R 间期是血液脉冲之间的时间；一般来说，心跳间隔时间越长越好。 R-R 区间分析，可用作压力水平和不同心脏问题的指标。

血压 - 使用 PPG 传感器信号，无需使用血压计即可测量血压。

血液灌注- 灌注是指身体将血液推过循环系统的能力，尤其是在死亡时通过全身毛细血管床的能力。因为 PPG 传感器跟踪血流，所以可以测量血液相对灌注率和血液灌注水平的变化。

心脏效率——这是心血管健康和身体状况的另一个指标。一般来说，它衡量心脏每次中风所做的工作率。

在可穿戴设备上设计心率传感器很困难，因为设计方法受人体运动的影响很大。为了弥补这一点，您需要强大的光机械和信号提取算法。描述您在设计心率传感器时可能面临的一些主要挑战。

压电薄膜传感器

信号提取算法

下面提供了有关信号提取注意事项的更多详细信息：

该算法是否在不同人群中得到验证？这很重要，只有这样的验证才能保证设备在各种肤色、性别、体型和健康状况下都能正常工作。

该算法是否对多种类型的运动噪声具有鲁棒性？算法必须能够在各种活动中正常工作，包括步行、跑步（快速和稳定的跑步和间歇训练）、短跑、健身房训练以及打字或驾驶等日常活动。

算法能否继续改进以处理更多用例和新型生物特征？这一技术和可穿戴设备正在迅速发展。

静息心率

当人们想到健身时，休息”这个词可能不是第一个想到的词，但心率的静息测量可以作为健身水平的一个很好的指标。在活动期间，静息心率的降低与健康状况的提高有关。一个人的静息心率越低，他就越有可能减缓心血管疾病的进展。

心率恢复

同样，测量心率恢复——运动后心脏恢复正常水平的能力也可以预测健康水平和心脏功能。健康的心脏比不健康的心脏恢复得更快。较高的心率恢复率表明更好的耐力和更好的心血管健康。要评估您的心率恢复情况，您可以查看运动期间的心率与停止运动后一到两分钟之间的心率差异。

心率反应

另一个有用的评估来自心率传感器，在大约一分钟的运动后，是运动时的心率反应，这是一种生理反应。工作肌肉活动增加导致交感神经系统活动增加。健身水平越低，心率对运动的反应越灵敏。通过定期训练，身体会适应。虽然心率仍会随着运动而增加，但身体必须更加努力地工作才能达到相同的速度。较高的心率反应，加上变时性功能不全，也有助于预测颈动脉疾病。

心脏效率

定期锻炼还可以提高心脏效率，这是心脏所做的工作与完成工作所需的能量之比。心脏效率越高，身体活动所需的跳动就越少。心脏效率是心脏健康的主要指标。心率下降与许多心血管疾病有关，包括高血压。

心率变异性

身体活动或身体压力也可以通过HRV评估，以评估心跳之间的时间变化。该措施可以表明心理社会或精神压力，以及过度运动。HRV 监测压力源对身体的影响，这与疲劳（精神和工作能力）以及执行精神和工作任务的准备程度有关。HRV还可以预测心律失常和心房颤动的发生率。

压电薄膜传感器

智能睡眠枕实测：相比Apple Watch，它有什么优势？

吃好喝好，不如睡得好。

相关报告显示，中国居民的睡眠状况呈现日益下降的趋势，在《中国睡眠研究报告（2024）》中，2023年的中国睡眠指数相较于2022年下降了5.16，特别是城市居民，睡眠焦虑已经成为困扰许多人的问题。

在睡眠焦虑的影响下，最近两年与睡眠有关的智能设备也是越来越多，传统的智能睡眠监测手环、手表大家肯定都已经很熟悉，也是目前最主流的消费级睡眠监测设备。

不过，智能手环等腕部智能设备并非适合所有人，比如有的人不喜欢戴着手表入睡，有的人皮肤非常敏感，在被手表的光电检测模块长时间照射后，会出现红疹等皮肤问题。

或许正是看到了这样的商机，智能枕头、智能指环乃至智能睡眠监测垫等产品都陆续面世，主打的就是一个百花齐放。 相较于智能指环、监测垫等产品，智能枕头的受众算是最多的，因为这类产品主打的就是一个无感探测，而且还提供一些额外的功能，比如鼾声干预等。

作为一个经常熬夜的人，我一直觉得自己睡眠不足，自然也是被“蛊惑”的人之一。于是在机缘巧合之下，买回了一个8H的智能枕头（真不是广告，且听我徐徐道来），最初只是想买个好睡的枕头，然后转念一想不如咬咬牙上个智能枕吧，看看这玩意是否真如吹嘘的那般好用。

在体验了一年，又做了一周的对比测试后，我觉得现在可以和大家唠嗑一下，智能枕头的体验真的比普通枕头更好吗？睡眠监测真的好用？防打鼾功能真的有效？

图源：雷科技

其余两款参与横评的设备分别是OPPO Watch 4 Pro和Apple Watch Series 6，均为个人购置设备，同样不存在什么偏向性，作为对比样本的同时我们也能看看Apple与其他品牌的智能手表，在监测效果上的区别。

使用体验PK：智能枕舒适度有优势

不管是OPPO Watch 4 Pro还是Apple Watch Series 6，作为智能手表，在开启睡眠监测功能后，使用体验肯定都是不如8H智能枕的，毕竟无感监测是后者的主要卖点之一。

不过，如果对比两款手表的佩戴舒适度，我还是会选择Apple Watch Series 6，不管是重量还是大小，都要明显小于OPPO Watch 4 Pro。而且它有大量的表带可以选择，编织回环，磁力链等表带在佩戴舒适度上明显优于传统的扣式表带，缺陷则是如果睡眠时动作过大，可能导致手表松脱，影响睡眠监测成果。

图源：雷科技

说回8H智能枕，除开额外增加的监测传感带外，本质上就是一个乳胶枕头，官方给的数据是93%天然乳胶，经典的高低位设计，还有按摩颗粒和透气孔，单就枕头本身的舒适度其实还不错，支撑力度OK，与市面上的主流产品基本上处于同一个水平。

而且，经过我的一年使用后，枕芯没有观察到变形情况，也没有乳胶枕常见的开裂、脆化等问题，应该是得益于内外双枕套的设计，以及还算不错的制造工艺。

从控制器的线缆位置来看，传感带位于枕头的底部区域，所以实际使用时几乎感觉不到传感带，反而是乳胶枕上的按摩颗粒存在感更强一些 ，说实话这个颗粒对于皮肤敏感的人来说不算友好，脖子移动时会有奇怪的摩擦感。

图源：雷科技

单从枕头的体验来说，就是一个百来块的优质乳胶枕，考虑到智能枕的售价是300+，为智能功能额外支付的价格，其实与购入智能手环的价格差不多。

智能监测，真的好用？

智能枕的传感带想要做到无感，只能是将其埋藏在枕芯的浅表层，既要尽可能地接近人体，又要避免干扰使用者的睡眠。所以，传统的光电传感器显然是不适合的，所以采用的是压电传感器，这是一种在医疗领域广泛应用的监测技术，在与人体零距离贴合的情况下，可以给出精确度极高的数据。

这项技术的原理其实很简单，就是利用压电效应的原理，配合一些受到机械应力时会产生电荷或电压的材料制作传感带，通过监测电荷或电压的变化趋势，配合算法计算出相关的数据。

图源：京东

就以睡眠监测来说，目前多数消费级的睡眠监测设备都是利用心率、血氧和人体动作幅度等数据，结合算法推断你的睡眠状态。智能枕其实也不例外，通过压电传感带可以监测动脉的活动频率，就可以获得较为精准的心率数据，只不过无法像智能手表那样，结合心电传感器来获取更精准的数据。

另外，利用人体呼吸时的身体姿态变化，还可以获取呼吸频率、单次呼吸时长等数据，最后再结合体动监测，配合AI算法，智能枕就可以计算出大致的睡眠状态。

以5月22日的监测数据为例，可以看到在米家App中，列出了总睡眠、深睡、浅睡、快速眼动和清醒等不同睡眠阶段的时长占比，并且标出了合理区间，帮助你了解各个睡眠区间的占比是否正常。

图源：雷科技

从数据中可以看到，深睡的占比低于合理区间，而浅睡的占比则差一点超出合理区间，仅看智能枕的数据，我的睡眠状态并不算好，深睡过少会导致精神恢复效果不如预期，即使睡眠时间达到了8小时，也会在醒来后感到疲惫。

作为对比，我们再看看OPPO Watch 4 Pro的同一天数据，同样是区分为深睡、浅睡、快速眼动和清醒四个阶段，只不过还额外增加了小睡阶段，用来记录午睡等零散睡眠时间。

图源：雷科技

而Apple Watch Series 6的数据记录则取决于你使用的App，我用的是最主流的AutoSleep，数据分为入睡用时、苏醒、快速眼动、轻度和深度等五项数据，区别还是比较大的。

图源：雷科技

不过，主要的数据所代表的睡眠阶段是相同的，所以通过对比，可以发现在深睡、就寝时间和浅睡时间这三个数据上，智能手表与智能枕有着较大出入。

图源：雷科技

先来看看总睡眠时长，智能枕给出的是6小时41分钟，OPPO则是6小时50分钟，差距并不大，而Apple则是6小时15分钟，是总时长最短的。有意思的是，在就寝时间上，Apple与智能枕接近，而OPPO却晚了整整半小时，是OPPO的不准确吗？

倒也不是，考虑到OPPO佩戴在右手，而我在睡觉前有刷一会手机的习惯，大概率是因为左手和头部处于静止状态，而拿手机的右手在动，所以造成了入睡时间上的明显误差。

其实从这里也可以看出，除非你躺在床上后马上开始进入睡眠状态，否则不管是智能手表还是智能枕等设备，都有可能因此产生误判。 背后的原因其实很简单，因为人在床上躺着不动玩手机时，心率和身体移动幅度与入睡初期的状态十分相似，即使存在些许区别，也可能被设备的算法标记为误差而被忽略。

实际上，最有意思的还是深睡时长的不同，8H给的数据是36分钟，而OPPO则是1小时14分钟，苹果则与智能枕较为接近，时长为48分钟。

通过对比睡眠阶段记录图，我发现差异主要在3点到4点的阶段，OPPO在这段时间里记录了一次长达37分钟的深度睡眠，而8H则没有记录，苹果有记录，但是时长明显小于OPPO。

图源：雷科技

从这里可以看出，算法对最终结果的影响非常大，国内如OPPO、小米、华为等主流的智能手表厂商，背后其实都与医院、研究所等机构有深度合作，通过分析中国人的睡眠数据，可以更精准地判断你的睡眠状态。

当然，这并非说明Apple的数据不准确，苹果的睡眠监测功能同样经过多年的研究与发展，利用全球各个国家的用户睡眠数据训练出来的算法，在精准度上显然不会差。

而且在对比了后续几天的数据后，我发现在整体数据的趋同性上，Apple与OPPO要更接近一些，而8H的深睡时长则基本在1小时内。另外，手表佩戴的松紧度是否合适，也会直接影响监测成果的准确度，比如5月25日，我在起床后发现Apple的表带出现了松脱，导致当天的深睡时长直接为0，仅提供了总睡眠时长等数据。

舒适与准确度难以兼顾，可能就是智能手表在睡眠监测领域面对的痛点之一。

其实智能枕也面临同样的问题，睡姿不正确，或者睡觉时喜欢乱动的话，会直接影像睡眠检测效果。比如5月23日，Apple与OPPO均显示我的睡眠时长在6小时以上，而智能枕给出的数据只要1小时，原因就是我不小心滚到了床上铺的另一个枕头上，导致智能枕只记录了入睡后1小时的数据。

图源：雷科技

换言之，如果你的睡姿比较差，那么还是考虑一下智能手表或者智能指环更好一些。

聊回正题，以目前记录的数据来看，智能枕确实可以提供一定的睡眠质量参考数据，但是在精准度等方面的表现则比较一般，对用户的睡姿和睡前习惯有一定的要求，如果你只是想要一个无感的睡眠统计设备，同时不太在意数据是否精准，那么智能枕一定程度上倒也可以满足需求。

如果你对数据的精准度要求较高，那么我还是建议你考虑OPPO、华为、佳明等品牌的智能手表，选择一款合适的表带应该可以解决你的一些问题。我给出这样的选购建议，不仅仅是因为智能枕在数据方面的准确度不够，智能枕还有其他的问题需要解决。

续航与安全

在收集睡眠数据的过程中，我发现智能枕有着严重的数据丢失问题。

通过历史记录可以看到，在5月5日更换了电池后，除当天之外接下来的10天都没有数据记录，直到5月15日我想查看数据时才发现蓝牙已经无法连接到智能枕。 而在重置蓝牙后，接下来的六天都正常记录，但是在5月21日再次丢失数据，通过再次重置设备，睡眠数据记录再次恢复正常，结果从5月25日开始再次进入无数据状态。

图源：雷科技

此时我往回搜索数据，找到了购买时第一个月的数据，从6月16日智能枕到货，截至2023年6月底，一共15天的时间只有10天有数据，剩下5天则显示丢失记录。

图源：雷科技

在分析了数据分布的特点及回忆自己的操作后，我发现智能枕丢失数据的可能原因：为了增加传感带的续航时间，智能枕在与手机蓝牙断开连接，并且没有检测到生理数据后，会自动进入待机状态，直到用户打开App连接智能枕或是通过控制器唤醒。

相较于每天都会携带的智能手表，智能枕显然无法一直带在身边，而8H智能枕似乎没有设置通过压电传感带唤醒设备的功能，导致经常性丢失数据，只要你某一天忘了打开App进行同步，那么就可能会出现数据丢失问题。

显然，干电池的电池容量难以满足智能枕7*24小时运行的需求，那么8H为什么不选择拥有更大容量的锂电池呢？这就涉及安全问题，锂电池虽然具有大容量、轻薄等优点，但是安全性却远低于干电池，干电池损坏最多就是内部电池液泄漏。

锂电池则不然，一旦因为高温（比如冬季电热毯）或者其他原因导致损坏，是有可能出现自燃现象的，锂电池燃烧时产生的高温，不仅可能灼伤人体，而且会瞬间点燃全是易燃物的床铺，带来严重的人身及财产损失。

图源：百度

虽然并没有相关条例规定智能枕不能使用锂电池，但是在完全解决锂电池的安全问题之前，干电池可能是唯一安全的选择，相对于安全问题，数据缺少等问题，反而不是那么的致命，是可以通过软件优化来解决的。

或许你会问，智能手表也是锂电池，为什么不用担心安全问题？一方面是智能手表位于手腕部，远离人体关键的头部、颈部等区域，另一方面是手表的续航要求往往不高，所以锂电池容量很小，自燃后危害也不大。

考虑到目前市面上有不少的智能睡眠设备，我建议大家在购买前最好了解一下设备的工作原理，规避可能得安全隐患。

智能设备真能让你睡得更香？

在智能枕的宣传页面中，你基本上都可以看到类似的宣传语：“了解睡眠，才能更好睡眠”“智能防打鼾，不要惊喜枕边人”，虽然有一定的道理，但是从我的体验来说，睡前放下手机，调整生物钟，规范作息才是最佳的方式。

有时候，睡眠监测反而会增加你的睡眠焦虑，当看到深睡只有三四十分钟时，估计就算不累，也得纳闷自己昨晚为什么没有睡好？ 而在设备制造商看来，这可能只是一次意外的数据错误罢了。

不过，智能设备确实有助于你调整自己的睡眠计划，包括OPPO、Apple等在内的智能手表，往往都会在睡眠模块里设置帮助栏目，通过一些睡眠训练和功能来帮助你得到更好的睡眠。

比如苹果的入睡准备、入睡白噪音等，OPPO的睡眠训练营、呼吸训练等，一定程度上都可以帮助你更好地入睡或者获得更高的睡眠质量，看着睡眠分数逐渐提升，也是一种正向的驱动。

图源：雷科技

至于智能防打鼾功能，就个人体验来说十分一般，目前三四百价位的智能枕大多采用震动的方式来干预打鼾。简单来说就是将你从睡眠状态中浅唤醒，或者促使你改变睡姿，以此中断打鼾。

但是在实际使用中，却会因为各种各样的原因而误触发，我就试过因为使用音箱播放助眠音乐，导致打鼾干预在三分钟内误触发了两次，可以说体验极差， 或许更贵的智能枕会有好一些的体验，比如京东某款售价两三千的产品，只是到了这个价位段，或许不如买一台小型呼吸机更有效。

图源：雷科技

虽然很多智能睡眠设备都是未需求，但是从用户的角度出发，我还是希望能有一些真正能够帮助到人的助眠设备出现。只是考虑到每个人的睡眠环境、睡眠情况以及睡眠习惯都有所不同，传统的助眠App和建议其实效果都不太明显，还是需要按照个人情况来定制睡眠计划才更有效。

以前，我们可能只能求助于医生来制定计划，不仅收费高昂，而且还需要前往医院就诊，费时费力。现在，我们或许可以利用AI大模型来为我们制定合适的计划，实际上AI算法早已成为智能睡眠监测设备的核心，而在AI大模型的支持下，AI可以更深层次地介入到我们的睡眠中。

在谷歌等厂商的预想中，AI可以根据你的入睡时间、睡眠状态、睡眠环境等数据，分析影响你睡眠质量的原因并提出改进建议，同时提供入睡辅助。以Google Nest Hub为例，其可以根据智能IoT设备提供的数据，智能调整湿度、温度以及环境亮度，并且播放对你而言最佳的助眠音乐，营造更合适的入睡环境。

图源：谷歌

国内的话，小米、百度、天猫等拥有智能家居生态的品牌，也正在探索这个领域的应用，并且已经陆续推出了部分功能，帮助用户获得更智能、美好的生活。

此外，AI还可以根据你的食谱及日常活动，提出自己的建议，比如在晚餐时降低高油脂食物的摄入，在最佳入睡时间前，提醒你进行入睡准备等，利用本地部署的AI大模型，这些功能其实并不需要多高的算力就可以完成，而且能够避免个人隐私的泄露。

在我看来，AI与智能设备的结合，才是智能睡眠设备的真正完全形态，只有让AI不止于算法，才能真正帮助我们获得更好的睡眠。

封面来源：VEER

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压电心率传感器 MEAS压电薄膜传感器心率检测

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