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光电的艺术:浅谈 Apple Watch 的有趣细节(下)

感谢您点进本文!本文分为上、下两篇,推荐先阅读上篇:点此跳转

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。

非线性动画也好,屏幕的刷新率、色域也好,我们讨论的产品参数往往与功能无关,而与体验有关。比如“回到主屏幕”,普通用户只关注按下 Home 键后要等多久才能完成操作,而科技爱好者则会苛求:App 窗口是否能维持圆角矩形?主屏幕的背景是否有缩放动画?整段操作的帧率有多少?

也许局外人会觉得这些苛求与“杠精”无异,但“科技”之所以能成为“爱好”,各位家友的好奇心与批判精神是必不可少的。这也是我想谈一谈智能手表背面设计的原因。

二、在目光不可及之处

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 - Nuremberg egg - 尽管每天误差数小时,打磨表身的方式却极尽奢华[1]。由此可见,手表自诞生之初就具有饰品的属性。

▲ Nuremberg egg 是 16 世纪纽伦堡工匠的作品,可以挂在手腕、脖子上

与手机不同,手表的背面在使用时会被完全遮住。从实用的角度讲,既然想强调手表的装饰性,设计团队只要把表盘、边框做好就行了,紧贴皮肤的材质舒适即可。

▲ 某品牌在售的旗舰手表 Watch GT2 尊享版(1988¥)使用了塑料后盖 [2]

削减手表背面的用料无可厚非,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,手表的品质、格调会在细节处见分晓。

▲ “表王”百达斐丽将手表的机芯展示在背面

令人欣慰的是,许多厂商已经注意到背面设计对智能手表美观度的重要性,它们大都选择了陶瓷、蓝宝石这两种材料来制作后盖。得益于陶瓷、蓝宝石一骑绝尘的硬度,这些手表的背面在使用一年后仍能光洁如初。

▲ 从左到右依次是:小米手表尊享版,OPPO Watch ECG 版,三星Watch Active 2

以 Apple Watch 为例,主流智能手表的背面常常采用以下组装方式:

陶瓷后盖:相比一体成型的铝合金机身,陶瓷不会屏蔽无线信号。它是 Series 4 及后续型号的天线所在处;

蓝宝石透镜:智能手表在充电时不可避免与底座摩擦,耐刮的蓝宝石可以维持传感器的透光性。

Apple Watch 从 Series 4 开始支持心电检测,因此它在电极处的用料比较特殊 [3]:

钛电极:绘制心电图时,用户的手指需要按住表冠。为减少汗液对电极的损伤,也为防止凸起的表冠受外力撞击变形,耐腐蚀、高强度的钛金属是制作表冠的最佳材料 [4];

含铬的氮化硅碳薄膜:手表背面的电极以薄膜的形式覆盖在蓝宝石透镜的外围。相比镶嵌的电极,镀膜工艺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 [5]。

值得一提的是,尽管陶瓷、钛金属属于 Apple Watch 的可选高端材质,以上用料在不同价位的 Watch 中是相同的。

了解智能手表背面的材质后,中央的光学传感器才是本文的重点。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 LED 灯,用于照亮皮下组织;另一些小孔为光敏二极管,用于接收皮肤反射的光。对比不同品牌的智能手表,Apple Watch 使用的光源最丰富:

三色 LED 灯簇:可以发射绿光、红光以及红外线;

红外线 LED 灯:位于中央,仅在强光下能看到;

光敏二极管:接受光信号,可以区分光的颜色、强度。

五个光源、四个接收器、三种颜色,多样的传感器互相协作只为做一件事:光体积描记法。

三、多色彩柔光自拍,照亮你的血管

光体积描记法(Photoplethysmogram,简称 PPG)是一个简易的监测心血指标的方法。它的原理说白了就是:

1.一束光由手腕处照入血管,血管内的血液会吸收一部分光,也会反射一部分光;

2. 至于反射了多少光,这就取决于血液的流量(心率),或者血液含氧量(血氧);

3. 反射的光由光敏二极管接收,根据收到的光的强度,手表就能反推出心率、血氧的数值。[6]

对于心率,Apple Watch 在用户运动时用绿光检测,在用户休息时用红外线检测。随着心脏搏动,毛细血管网中的血流一会儿大(心收缩),一会儿小(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绿光检测心率,原因在于人的血液呈红色。

血液之所以呈红色,是因为它吸收红光少、反射红光多,因此眼睛能捕捉到红色。绿光的色相与红光相反,它会被皮肤、血液剧烈吸收,因此穿透能力差;但反过来想,吸收的绿光越多,射入/反射的绿光的差值就越大,传感器也就更易检测到血液流量的变化。因此绿光相比红外线抗干扰能力强,不易受运动影响。

但是,绿光是可见光,红外线是不可见光。如果手表在夜间不停闪烁绿光,那从侧面漏出的光线可能影响用户休息;其次,红外线能到达手腕的深处,对于肤色较深的用户更加友好。

在两种颜色各有优点的情况下,Apple Watch “我全都要”的策略能打造更好的用户体验。不过,即使绿光对脉搏更加敏感,手腕的摆动对反射光的影响仍然很大。横向对比各大厂商的智能手表,Apple Watch 能在运动状态下提供较为准确的心率数据。

▲ 不同品牌智能手表与专业心率仪在运动时检测数据的偏差值(摘自“先看评测”)[7]

Apple Watch 会使用加速度计的数据来抵消手腕运动对光学信号的影响。比如跑步,人摆臂的频率相对固定,而加速度计可以测量摆臂的频率。摆臂造成的反射光的波动与摆臂的频率是相关的,Apple Watch 因此能从不同频率的光信号中筛选出运动造成的假信号,以及脉搏引起的真信号 [8]。

聊完心率,我们再看看血氧。Apple Watch 使用绿光、红光、红外线三种光线来检测血氧饱和度。其中功劳最大的,当属红光与红外线。

▲ 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

人体内,富含氧气的血液呈亮红色,缺乏氧气的血液呈暗红色,换句话说:

携带氧的红细胞,反射红光,吸收红外线;

没有氧的红细胞,反射红外线,吸收红光。

Apple Watch 通过计算血液反射的红光、红外线的比值,就能知道红细胞携带氧分子的多少 [9]。

苹果官方并未解释绿光对于血氧检测有何作用,而传统的血氧检测仪不使用绿光。根据文献,我判断绿光可能帮助 Apple Watch 区分动脉与静脉。血氧饱和度一般指动脉血的氧含量。因为动脉的搏动幅度大于静脉,Apple Watch 接收到的红光、红外线信号一部分波动大(动脉),一部分波动小(静脉),其余部分无波动(表皮),而绿光因为穿透能力差,检测到的都是些接近皮肤表层的背景噪音。Apple Watch 可以利用绿光的数据去掉红光、红外线的背景噪音,进而更准确的提取动脉血的数据 [9, 10]。

四、Apple Watch 与健康

深度剖析 Apple Watch 背面传感器的设计与原理后,我们其实已经将 Apple Watch 最美的部分解读完了。如果继续探究 Apple Watch 监测到的心率、血氧、心电图对用户的健康有什么实质性帮助,我只能说,这些数据除了很酷外并没什么用。

医疗是很严肃的事。一些厂商推出的睡眠质量检测、压力检测等等,营销噱头远大于实际用处。举几个例子:

国际通用的心电图导联体系,共有三类 12 个导联。心脏的生物电信号从不同方向测量,结果截然不同。左手到右手、左脚到右手、左脚到左手……正规医院会使用 12 组电极测量 12 个位置的心脏电信号,而 Apple Watch 仅能测量一个;

相比手腕,手指的毛细血管网更密集,且透光性更好,使用光学手段测量心率、血氧自然更准确。并且,医用血氧仪除了接收血液反射的光,还能接收穿过血液的光,数据更全面;

各类睡眠 App 记录的深睡、浅睡、快速眼动睡眠,它们是根据脑电波的变化划分的。所谓浅睡,也称慢波睡眠,这一阶段脑电图呈现高幅度的慢波;所谓快速眼动睡眠,也称快波睡眠,这一阶段大脑皮层的电信号去同步化,呈现不规则的 ß 波。智能手表压根测不了脑电波,仅根据夜间手腕运动频率来判断睡眠质量,显然是不可靠的。

目前看来,Apple Watch 对健康的帮助体现在两个地方:

1. 心房颤动: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。房颤会引发冠心病、心力衰竭等严重疾病,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 向用户发送了心律不齐警告,那这名用户有 71% 的概率患有房颤 [11];此外,Apple Watch 经美国药监局认证的左手通右手的心电图,也能检测出房颤 [3];

2.睡眠呼吸暂停: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睡眠期间出现数秒到数分钟的窒息,且整晚能发生好几次。打鼾便是征兆之一。患者通常无法意识到呼吸的暂停,因此 Apple Watch 的夜间血氧自动检测功能显得尤为重要。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。该病症会诱发动脉硬化、糖尿病等慢性病,对患者白天的精神状态影响尤为明显[12]。

五、结语

Apple Watch 等智能穿戴设备最大的魅力在于“集成”。论应用生态,iOS 比 watchOS 强了几个量级;论信息获取,iPhone 的大屏幕无疑能显示更多内容;论健康检测,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,这令人惊叹的精巧结构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、电脑最终都会以可穿戴的方式再次改变我们的生活。

参考

1. DHistory of the Hour: Clocks and Modern Temporal Orders

2. HUAWEI WATCH GT 2 尊享款 钛银灰(64mm)- 华为商城

3. Using Apple Watch for Arrhythmia Detection

4. Titanium Electrodes - American Element

5. FILM COATINGS AS ELECTRICALLY CONDUCTIVE PATHWAYS

6. Seamless Healthcare Monitoring: Advancements in Wearable, Attachable, and Invisible Devices

7. 安卓智能手表评测,对比OPPO、华为、三星、小米

8. Heart rate path optimizer

9. Pulse oximetry: Understanding its basic principles facilitates appreciation of its limitations

10. A Multi-Wavelength Opto-Electronic Patch Sensor to Effectively Detect Physiological Changes against Human Skin Types

11. Apple Heart Study demonstrates ability of wearable technology to detect atrial fibrillation

12. 睡眠呼吸暂停 - Wikipedia

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