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一、承接上篇承蒙家友的支持,本系列有了下篇。在本篇中,我将介绍 Apple Watch 背面传感器的检测原理,以及心率、血氧等指标对用户而言有何意义。
我阅读了各位发表在评论区的意见,于是在下篇中进行了如下改进:
精简字数,方便阅读;
调整配图长宽比,减少行数占用;
根据本篇的内容,将标题从“科技的美学”变为“光电的艺术”。
91 钠先生是我最早关注的数码评测频道。“科技美学”这个名称起初并没有引起我的注意,但随着对数码产品的研究愈加深入,我逐渐意识到,将科技爱好者吸引到一起的核心要素,正是厂商在产品中注入的美学追求。

![/></p>二、在目光不可及之处<br><p>虽说发明钟表的本意是记录时间,但世界上已知第一款手表 - <span><strong>Nuremberg egg</strong></span> - 尽管每天误差数小时,打磨表身的方式却<span><strong>极尽奢华</strong></span> <span>[1]</span>。由此可见,手表自诞生之初就具有<span><strong>饰品</strong></span>的属性。</p><p align=](http://img.ithome.com/images/v2/t.png)

![/></p><p>▲ 某品牌在售的旗舰手表 Watch GT2 尊享版(1988¥)使用了<span><strong>塑料后盖 </strong></span><span><strong>[2]</strong></span></p><p>削减手表背面的用料<span><strong>无可厚非</strong></span>,它既不会影响传感器的功能,还能减轻表身的重量、防止信号屏蔽。只不过,续航再长的手表也有取下的时候。背面暴露在用户目光下的时间也许只有几秒,手表的<span><strong>品质、格调</strong></span>会在细节处见分晓。</p><p align=](http://img.ithome.com/images/v2/t.png)


![/></p>
<p><p><span><strong>陶瓷后盖</strong></span>:相比一体成型的铝合金机身,陶瓷<span><strong>不会屏蔽无线信号</strong></span>。它是 Series 4 及后续型号的天线所在处;</p><p><p><span><strong>蓝宝石透镜</strong></span>:智能手表在充电时不可避免与底座摩擦,耐刮的蓝宝石可以<span><strong>维持传感器的透光性</strong></span>。</p>
<p>Apple Watch 从 Series 4 开始支持心电检测,因此它在<span><strong>电极处</strong></span>的用料比较特殊 <span>[3]</span>:</p><p align=](http://img.ithome.com/images/v2/t.png)
![/></p>
<p><p><span><strong>钛电极</strong></span>:绘制心电图时,用户的手指需要按住表冠。为减少<span><strong>汗液</strong></span>对电极的损伤,也为防止凸起的表冠受<span><strong>外力撞击</strong></span>变形,耐腐蚀、高强度的<span><strong>钛金属</strong></span>是制作表冠的最佳材料 <span>[4]</span>;</p><p><p><span><strong>含铬的氮化硅碳薄膜</strong></span>:手表背面的电极以<span><strong>薄膜</strong></span>的形式覆盖在<span><strong>蓝宝石透镜</strong></span>的外围。相比镶嵌的电极,<span><strong>镀膜工艺</strong></span>不会破坏蓝宝石的完整性,这能赋予手表更好的强度与防水性 <span>[5]</span>。</p><p><p>值得一提的是,尽管陶瓷、钛金属属于 Apple Watch 的可选高端材质,以上用料在<span><strong>不同价位的 Watch</strong></span> 中是<span><strong>相同</strong></span>的。</p>
<p>了解智能手表背面的材质后,中央的<span><strong>光学传感器</strong></span>才是本文的重点。主流的智能手环、手表,检测心率、血氧的原理都是类似的:一些小孔为 <span><strong>LED 灯</strong></span>,用于照亮皮下组织;另一些小孔为<span><strong>光敏二极管</strong></span>,用于接收皮肤反射的光。对比不同品牌的智能手表,Apple Watch 使用的光源<span><strong>最丰富</strong></span>:</p><p align=](http://img.ithome.com/images/v2/t.png)

![/></p><p><span><strong>1. </strong></span><span><strong>一束光</strong></span>由手腕处照入血管,血管内的血液会<span><strong>吸收</strong></span>一部分光,也会<span><strong>反射</strong></span>一部分光;</p><p><span><strong>2. </strong></span>至于反射了<span><strong>多少光</strong></span>,这就取决于血液的<span><strong>流量</strong></span>(心率),或者血液<span><strong>含氧量</strong></span>(血氧);</p><p><span><strong>3.</strong></span><span><strong>反射的光</strong></span>由光敏二极管接收,根据收到的光的强度,手表就能<span><strong>反推出</strong></span>心率、血氧的数值。<span>[6]</span></p><p></p><p>对于心率,Apple Watch 在用户<span><strong>运动</strong></span>时用<span><strong>绿光</strong></span>检测,在用户<span><strong>休息</strong></span>时用<span><strong>红外线</strong></span>检测。随着心脏搏动,毛细血管网中的血流<span><strong>一会儿大</strong></span>(心收缩),<span><strong>一会儿小</strong></span>(心舒张),Apple Watch 检测到的光线也随之变化。大多数可穿戴设备之所以选择<span><strong>绿光</strong></span>检测心率,原因在于人的血液呈<span><strong>红色</strong></span>。</p><p align=](http://img.ithome.com/images/v2/t.png)

![/></p><p>▲ 不同品牌智能手表与<span><strong>专业心率仪</strong></span>在运动时检测数据的<span><strong>偏差值</strong></span>(摘自“先看评测”)<span>[7]</span></p><p>Apple Watch 会使用<span><strong>加速度计</strong></span>的数据来<span><strong>抵消</strong></span>手腕运动对光学信号的影响。比如跑步,人<span><strong>摆臂的频率</strong></span>相对固定,而加速度计可以测量摆臂的频率。摆臂造成的<span><strong>反射光的波动</strong></span>与摆臂的频率是<span><strong>相关的</strong></span>,Apple Watch 因此能从不同频率的光信号中<span><strong>筛选出</strong></span>运动造成的<span><strong>假信号</strong></span>,以及脉搏引起的<span><strong>真信号</strong></span><span> [8]</span>。</p><p align=](http://img.ithome.com/images/v2/t.png)

![/></p><p>▲ 虽然苹果官网的宣传页面着重使用红色,但实际运行时,绿光比红光更显眼</p><p>人体内,富含氧气的血液呈<span><strong>亮红色</strong></span>,缺乏氧气的血液呈<span><strong>暗红色</strong></span>,换句话说:</p>
<p><p><span><strong>携带氧</strong></span>的红细胞,反射<span><strong>红光</strong></span>,吸收<span><strong>红外线</strong></span>;</p><p><p><span><strong>没有氧</strong></span>的红细胞,反射<span><strong>红外线</strong></span>,吸收<span><strong>红光</strong></span>。</p>
<p>Apple Watch 通过计算血液反射的<span><strong>红光、红外线的比值</strong></span>,就能知道红细胞携带<span><strong>氧分子的多少</strong></span><span>[9]</span>。</p><p>苹果官方并未解释<span><strong>绿光</strong></span>对于血氧检测有何作用,而传统的血氧检测仪<span><strong>不使用绿光</strong></span>。根据文献,我判断<span><strong>绿光</strong></span>可能帮助 Apple Watch 区分<span><strong>动脉与静脉</strong></span>。血氧饱和度一般指<span><strong>动脉血</strong></span>的氧含量。因为动脉的搏动幅度<span><strong>大于静脉</strong></span>,Apple Watch 接收到的<span><strong>红光</strong></span>、<span><strong>红外线</strong></span>信号一部分<span><strong>波动大</strong></span>(动脉),一部分<span><strong>波动小</strong></span>(静脉),其余部分<span><strong>无波动</strong></span>(表皮),而<span><strong>绿光</strong></span>因为穿透能力差,检测到的都是些接近皮肤表层的<span><strong>背景噪音</strong></span>。Apple Watch 可以利用<span><strong>绿光</strong></span>的数据去掉<span><strong>红光</strong></span>、<span><strong>红外线</strong></span>的背景噪音,进而更准确的提取<span><strong>动脉血</strong></span>的数据 <span>[9, 10]</span>。</p><p align=](http://img.ithome.com/images/v2/t.png)



![/></p><p>目前看来,Apple Watch 对健康的帮助体现在<span><strong>两个地方</strong></span>:</p><p><span><strong>1. </strong></span><span><strong>心房颤动</strong></span>:它是最常见的心律失常,表现为心脏的上半部分突然快速抽动,这是生物电信号紊乱所致。房颤会引发<span><strong>冠心病、心力衰竭</strong></span>等严重疾病,早发现,早治疗。苹果公司与斯坦福大学医学院合作的心血管研究表明,如果 Apple Watch 向用户发送了<span><strong>心律不齐警告</strong></span>,那这名用户有<span><strong> 71%</strong></span> 的概率患有<span><strong>房颤</strong></span><span>[11]</span>;此外,Apple Watch 经<span><strong>美国药监局</strong></span>认证的左手通右手的心电图,也能检测出<span><strong>房颤</strong></span><span> [3]</span>;</p><p align=](http://img.ithome.com/images/v2/t.png)
![/></p><p><span><strong>2. </strong></span><span><strong>睡眠呼吸暂停</strong></span>:因为肥胖、过敏、中枢神经病变等原因,睡眠呼吸暂停患者会在<span><strong>睡眠期间</strong></span>出现数秒到数分钟的<span><strong>窒息</strong></span>,且整晚能发生好几次。<span><strong>打鼾</strong></span>便是征兆之一。患者通常<span><strong>无法意识</strong></span>到呼吸的暂停,因此 Apple Watch 的<span><strong>夜间血氧自动检测功能</strong></span>显得尤为重要。如果用户在睡眠期间的血氧经常性低于 90%,那他应当警惕呼吸暂停的发生。该病症会诱发<span><strong>动脉硬化、糖尿病</strong></span>等慢性病,对患者白天的<span><strong>精神状态</strong></span>影响尤为明显 <span>[12]</span>。</p><p align=](http://img.ithome.com/images/v2/t.png)
![/></p>五、结语<br><p>Apple Watch 等智能穿戴设备最大的魅力在于<span><strong>“集成”</strong></span>。论<span><strong>应用生态</strong></span>,iOS 比 watchOS 强了几个量级;论<span><strong>信息获取</strong></span>,iPhone 的大屏幕无疑能显示更多内容;论<span><strong>健康检测</strong></span>,大病小病都得在医院确诊。但是,Apple Watch 仅用手表的大小就塞进了 iPhone、心率仪、血氧仪、心电仪等一系列部件,这令人惊叹的<span><strong>精巧结构</strong></span>值得科技爱好者们说道一番。相信随着小型化技术的发展,手机、电脑最终都会以<span><strong>可穿戴的方式</strong></span>再次改变我们的生活。</p><p><span>参考</span></p>
<p><p></p><p><p>2. HUAWEI WATCH GT 2 尊享款 钛银灰(64mm)- 华为商城</p><p><p>3. Using Apple Watch for Arrhythmia Detection</p><p><p>4. Titanium Electrodes - American Element</p><p><p>5. FILM COATINGS AS ELECTRICALLY CONDUCTIVE PATHWAYS</p><p><p>6. Seamless Healthcare Monitoring: Advancements in Wearable, Attachable, and Invisible Devices</p><p><p>7. 安卓智能手表评测,对比OPPO、华为、三星、小米</p><p><p>8. Heart rate path optimizer </p><p><p>9. Pulse oximetry: Understanding its basic principles facilitates appreciation of its limitations</p><p><p>10. A Multi-Wavelength Opto-Electronic Patch Sensor to Effectively Detect Physiological Changes against Human Skin Types</p><p><p>11. Apple Heart Study demonstrates ability of wearable technology to detect atrial fibrillation</p><p><p>12. 睡眠呼吸暂停 - Wikipedia</p>
</p>
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