智能手表的心率和血氧,真的靠谱吗?

智能手表的心率和血氧,真的靠谱吗?

本文来自微信公众号:少数派(ID:sspaime),原标题《智能手表、手环的“心率检测”准确吗?它能帮你了解哪些数据?》,作者:阿帅的健康笔记,题图来自:视觉中国

如今的智能手表已经不只是能帮助我们测量步数,还能帮助我们测量心率以及最大摄氧量,让我们对健康状况以及运动能力有更深入地了解,可数据本身并不会说话,这些指标能反映哪些健康指标呢?如何通过这些数据更好地了解自己的身体情况呢?

虽然智能手表搭配的手机 app 中也有介绍这些指标,但是手表厂商为了能够便于大众理解,会简化部分内容,而简化意味着失真。另外有一些指标对用户来讲实际用途并不大,比如动态最大摄氧量,而要想知道为何意义不大,就需要对最大摄氧有更深入的了解。

一、心率

心率的定义比较简单,即心脏每分钟跳动的次数,在英语中常用 bpm(beats per minute)作为心率的单位。

1. 手表如何获取心率?

对于正常人(房颤时则不是),心跳和脉搏相对应,一次心跳对应一次脉搏。所以我们通常通过扣触手腕处的脉搏的跳动便能知道心率。那手表又是如何测量的呢?难不成手表上有个压力感受器,感受脉搏跳动时的不同压力来计算脉搏吗?

这句话说对了一半,手表也是根据周期性的脉搏变化推测心率,但手表不是感受压力变化,而是通过光感受血液的变化来得出心率,这种方法的专业名称叫做光电容积描记法(photoplethysmographic,PPG)。PPG 是 Photo(光)、Plethysmos(变化)和 Graphos(记录)的复合词。从字面上看,它是一种使用光来记录动脉通过身体部位发生变化的测量方法。

那么,什么是脉搏波呢?脉搏波是指在血液循环过程中,心脏的收缩舒张,血管发生微观变化。PPG 是将这些脉搏波识别为波形的测量方法。简单来说,心脏交替收缩和舒张,血管中的血流量反复增加和减少,血液成分也会发生了变化。此时通过向皮肤发射光源来检测反射或透射光的方法就是 PPG。下图展示了 PPG 测量的基本原理和过程。

PPG 不仅仅能测量心率,还可以测量血氧饱和度、血压、呼吸率。下图是 PPG 信号可以获得不同生理指标的示意图。在获取不同的 PPG 指标时,会使用不同的波长。因为血红蛋白对红光的吸收更多,在测量血氧饱和度时,多选用红光以及近红外。

但另一方面红光受运动的干扰比较大,所以在测心率时,则更多选用绿光。绿光也有缺点,绿光受汗液的影响比较大,因此在具体实践中,厂商多会联合使用多种光源测量心率、血压等参数。

2. 手表测量心率准确吗?

心率检测是 PPG 中最为成熟的技术了,测量结果也较为准确。研究显示,以苹果手表和Fibit手环为例,手表和心电图测量心率的结果相差不大。但是手表测试心率得到的数值一般会比实验室测量的结果偏低,低约 0.9-7.2 次,其中苹果手表比实验时的金标准低约 1.3 次。

我个人在使用了几款国内的手表(手环)后,也感觉手表测心率比较准确。但手表显示心率会有较大延迟,往往我的心率都到 140 了,手表的心率经过 5-10s 才能缓慢爬升到我的实际心率。

虽然手表在一般人群中测量比较准确,但在部分人群中测量心率会受影响,比如肤色以及肥胖会影响测试结果。Ajmal 使用微血管模型模拟了肤色、肥胖对 PPG 心率测量结果的影响,发现仅考虑肤色变化时 PPG 的数值波动为 10%,而综合考虑肤色和肥胖的影响,PPG 信号波动的结果则高达 61.2%。

原因是较深的皮肤具有较高的黑色素会吸收更多的光。再者,肥胖者的皮肤往往比非肥胖者的皮肤更厚,水分更少,血液流动更少导致 PPG 偏差比较大。

3. 能帮助我们了解哪些信息?

健康类

心率指标很常见,可以反映的运动健康信息也不少。按照美国心脏协会声明,正常成年人的静息心率(安静时的心率)为 60-100bpm。若静息心率超过 100 次则称为心动过速,低于 60 次则为心动过缓,不规律的跳动则称为心率不齐。

从左到右是心动过速、心动过缓以及心率不齐的心电图,图片来源维基百科

但其实静息心率大于 80,健康风险就会增加。有研究发现,静息心率大于 80bpm,心血管死亡率就会增加 33%,而全因死亡风险会增加 45%。在瑞典进行的一项包含 100 万名男性的大型前瞻性研究发现:青春期晚期静息心率升高与强迫症、焦虑诊断和精神分裂症的风险增加相关,而心率过低则与药物滥用及暴力倾向相关。

但静息心率小于 60 并不一定有健康风险,也可能是训练适应的表现。经常运动的人静息心率可能会低于 60bpm,因为他们的心肌更有力量,每次心跳可以泵出更多的血液,因此以较低的心跳次数就能满足全身的血液循环。比如有些精英游泳运动员静息心率甚至会低至 38 次,可谓是名副其实的“大心脏”。

运动类

心率不仅可以反映健康状况,还常用来反映运动强度。运动越剧烈,心跳越快。那反过来我们便可以根据当前的心率量化我们的运动强度。随着运动强度的增大,心率不会无限增大,会有一个最大值,一般我们会通过计算运动时的心率和最大心率的比值来确定运动强度。

确定运动强度对于科学高效的运动至关重要。能够判断运动强度之后,我们就可以开具运动处方,更有针对性地开展运动。人们经常会好奇哪种运动形式能减肥,比如跳绳能减肥吗?跑步、跳舞能减肥吗?其实能不能减肥和运动形式无关,主要与运动强度和运动持续的时间有关。身体不知道我们是在跳舞还是跑步,它只认强度。只要达到中等强度运动,时间足够,就能减脂。

为什么是中等强度呢?脂肪储存的热量非常大,分解速度却很慢,运动强度比较大时,脂肪供能跟不上身体的需求,这时主要使用糖类进行快速供能,所以运动强度不能太大;当运动强度比较小时,虽然脂肪是主要供能物质,比如安静时的脂肪供能占比 70%。但是这个时候能量消耗总量比较少,即使脂肪供能比例大,消耗的热量还是少,达不到减脂的目的。

因此想要减脂,更推荐进行中等强度的运动。没有手表的时候我们需要触摸脉搏获得心率,不能及时的了解心率。而智能手表的出现则很好地解决了这个问题,可以帮助我们测量心率,并评价运动强度。

其实中等强度不仅仅适用于减肥,对于保持健康也至关重要。我们改进工具,改造自然,步入了信息化社会。与此同时工具也改造了我们:电脑、手机就像无形的镣铐,将我们锁死在椅子上。今天的我们,半辈子的时间都在椅子上;可是我们是动物,当我们长期久坐缺乏运动时,一系列的慢性病便接踵而来。

图片来源:World Health Organization. (2020).WHO guidelines on physical activity and sedentary behaviour. World Health Organization.https://apps.who.int/iris/handle/10665/336656

现如今,久坐是病,那么何药可治?答案是运动,运动是良药(Exercise is Medicine)。运动就是减少久坐危害的良药。既然是药,“服药”就要讲剂量。像走路这种运动,强度太小,药力不足。

想要有效就需要中强度甚至是高强度运动。世界卫生组织给出的运动处方是:推荐所有成年人每周应该进行至少 150-300 分钟的中等强度有氧运动或者等量的中等强度和剧烈强度组合的运动。

图片来源:World Health Organization. (2020). WHO guidelines on physical activity and sedentary behaviour. World Health Organization. https://apps.who.int/iris/handle/10665/336656

不管是大家想要高效地减脂还是想要保持健康,中等强度的运动对大家来讲都至关重要,所以现在的智能手表多会统计5我们一天当中的中等强度活动时间。比如苹果手表的三环,其中黄色圆环用来评价每天的中等强度用时。至少进行 30 分钟强度不低于快走的运动,才能填满锻炼圆环。

来自苹果官网

既然判断运动强度这么重要,那么如何根据心率计算运动强度呢?

想要计算运动强度,我们首先要知道如何获得最大心率。在实践中,我们通常使用公式估计最大心率。最大心率最常见的估算公式为:最大心率 = 220 – 年龄。但这个估算方法不是最准确的,使用 206 – 0.7 × 年龄得到的结果更加准确。

但为了方便大家能口算出自己的运动强度,我这里使用 220 – 年龄计算最大心率。在知道最大心率之后,我们就能根据当前心率和最大心率的比值计算运动强度,公式为:运动强度(以百分比表示) = 运动时心率/最大心率。

结合减脂的运动处方和上述表格的内容,我们能够发现:目前手表显示的燃脂区间,燃脂效果并不高效。手表的燃脂区间为 60%~70%,而燃脂的中等强度对应 64-76% 最大心率。对于已经锻炼一段时间的人来讲,肌肉燃烧脂肪的效率更高,所以需要更接近 76% 最大心率的运动强度才能达到目的。

因此,手表燃脂区间对应的运动强度效率偏低,反而是在手表有氧耐力区间运动,才能更高效减脂。不过手表厂家可能有注意到了这个问题,比如华为的手表就支持自定义心率区间,好让我们可以根据需求自行设置。

以上计算方式简单易行,但有弊端。我们每个人安静时的心率(静息心率)并不一样,肥胖人群的静息心率会高达 90 次,而优秀游泳运动员可能才 38 次。同样是 90 次的心率,两者的运动强度显然不同。那么,要如何规避静息心率的对计算运动强度的干扰呢?

其实方法也很简单,我们可以先用最大心率减去静息心率得到储备心率,再将运动时的心率除以储备心率,进而评价运动强度。为了让大家更好的理解这种计算方式,下面我给大家举一个例子,比如我们要计算阿帅的中等运动强度区间对应的心率:

除了单独使用心率反映健康信息、运动强度,心率还可以和其他指标联合反映其他健康信息,比如和血氧饱和度联合反映睡眠情况。

二、最大摄氧量

最大摄氧量和心率有相似之处,都可以反映运动强度。随着运动强度的增加,不仅心率加快,吸入的氧气也不断增加。但身体摄取氧气的含量并不会随着运动持续增加,其也会像心率一样,出现最大值。我们便把单位时间内人体能够吸取的最大值称作最大摄氧量。

最大摄氧量(VO2max)更准确的定义是指人体在进行有大量肌肉群参加的长时间剧烈运动中,当心肺功能和肌肉利用氧能力达到本人极限水平时,单位时间内所能摄取的氧量。它反映了机体吸入氧、运输氧和利用氧的能力,是评定人体有氧工作能力的重要指标之一(汪军, 2022)

我在这里专门把这个定义详细的阐述出来,是因为它能够回答我们对最大摄氧量的很多困惑,下面我来一句句给大家拆解:

  • 在进行有大量肌肉群参加的长时间剧烈运动中→测量最大摄氧量需要使用动用全身肌肉的运动,比如走路、跑步、骑自行车。且动用的肌肉越多,测试越准确,因此跑步测最大摄氧量比骑自行车更准确。

当心、肺功能和肌肉利用氧能力达到本人极限水平时:

  • 心肺涉及到心脏和肺部的功能,因此肺活量大的人最大摄氧量不一定就大。因为说这句话就好像在说一个人语文成绩好,高考总成绩就高,这样显然不对。

  • 高强度间歇训练也能够提高有氧能力。高强度间歇虽然属于无氧能力,但是对于心脏有很高的刺激。

  • 力量训练能提高有氧能力。力量训练可以帮助肌肉更好地利用氧气,进而提高有氧能力。

1. 如何获取最大摄氧量?

最大摄氧量的测试过程并不复杂,不借助手表,我们也能获得最大摄氧量。而且多数手表的测试过程只是把实验室测量最大摄氧量的过程写成软件,减少我们记录时间和计算的步骤,让测试过程更加丝滑。但是要想获得最大摄氧量,我们必须得运动,因为通过运动才能获得最大摄氧量。下面就详细讲讲获得最大摄氧量的测试方法。

鉴于最大摄氧量是反映有氧能力的重要指标,即使我们没有手表,也可以自己测试。不过在进行最大摄氧量测试之前,建议你使用运动前筛查量表测试下自己是否适合运动。而且如果运动中有任何不适,都请及时停止。

测量最大摄氧量的方法有很多,大体可以分为两种:直接测量和间接推算。下图反映了实验室条件下直接测试最大摄氧量的方法。测试时运动员戴着呼吸面罩跑步,通过气体分析仪可以记录运动员吸入气体氧气总量,通过后期的分析便可获得最大摄氧量。

但这种测试方法需要昂贵的仪器,而且对于没有运动习惯的人来讲,测试过程也不安全,所以更通用的是使用推算的方法。推算也两种,一种是不断的增加负荷,同时记录对应的心率,直至不能运动,通过心率、运动负荷确定最大摄氧量。

国民体质监测中使用的台阶实验就是类似的方式。其过程是按照指定节拍上下台阶,记录运动过程中的心率,带入到公式中计算台阶指数,进而判断有氧能力。具体过程和判断标准参见国民体质测定标准手册及标准(成年人部分)。但国民体质的台阶实验是计算了台阶指数没有直接计算最大摄氧量。

另一种方式是记录指定时间内运动的距离,或者是指定距离内的用时来计算最大摄氧量。库珀 12 分钟跑就属于前者。2.4km 跑就属于后者。

下面详细讲述一下库珀 12 分钟跑的测试过程。选择说这个实验,算是对库珀博士的致敬吧。你可能不知道库珀(Kenneth H. Cooper),但相信你一定听过有氧运动,而库珀正是有氧运动的提出者,是因为库珀写了《Aerobics》,才出现了有氧运动这个词。

图片来源维基百科

库珀 12 分钟跑的过程很简单,只需要知道 12 分钟内跑步的距离,将距离代入到下面的公式中即可计算最大摄氧量。我们可以在操场或者是跑步机上完成测试,只不过在跑步机上测试时需要将坡度调为 1°,模拟室外风的阻力。同时正式跑步前运动 15 分钟,一来可以避免跑步时拉伤,二来也能更充分动员肌肉和心肺,让测试结果更加准确。

V̇O(2)max = (22.351 x 跑步距离(千米)) – 11.288

对于未经训练的健康男性 V̇O(2)max 最大值约为 35–40 mL/(kg·min),未经训练的健康女性平均 V̇O(2) max 最大值约为 27–31 mL/(kg·min)。具体会因为年龄不同,而评价标准不同而有所不同。具体可以参见以下的评价标准,但是需要注意的是此标准是以美国人为基础测量获得。

通过上面对于最大摄氧量的描述,我们发现最大摄氧量的测试过程并不复杂。很多手表也就套用了上述计算方式。比如华为的最大摄氧量就是使用了 2.4km 跑步测试的方法。你不需要专门进行最大摄氧量测试,只要有一次跑步距离超过 2.4km,且跑 1 公里用时小于 8 分钟,便能够计算出最大摄氧量。

但这样计算出来的最大摄氧量可能并不准确,个人主观努力程度对最大摄氧量的影响不容小觑。我之前在学校参加的最大摄氧量测试,到测试后期,测试人员会用“地表最强音”为我加油打气,好挖掘出来我的最后潜力。而我也像被施了咒语一样,会更努力地跑下去。

而且在测试过程中,他们也会使用主观自觉量表来让我说出我的努力程度。所以如果我们没有专门全力以赴地测试最大摄氧量,那么下一次看到最大摄氧量数值增加时,可能不能说明我们有氧能力增加了,只是我们更努力的跑步了。

上述主要是用跑步测量最大摄氧量,但有些人并不喜欢跑步,而是喜欢骑行。手表厂商也考虑到了这一点。比如佳明的手表就支持在骑行时(需要搭配功率计)获取最大摄氧量。另外,随着划船机的普及,也有专利试图通过划船机来确定最大摄氧量。

但不管是库珀 12 分钟跑,还是华为、佳明的测试方式,都需要至少 12 分钟的测试。尽管时间已经很短了,但是很多人还是觉得时间太长,所以 Polar 的手表支持使用 5 分钟体能测试获得最大摄氧量。

2. 手表测量最大摄氧量准确吗?

通过对最大摄氧量测试过程的了解,我们发现测量最大摄氧量关键的指标主要是距离、时间、心率,而这些指标的测量都是成熟的技术,理论上来讲最大摄氧量的计算比较准确。

也许是出于这种考量,我并没有找到很多关于手表最大摄氧量精度验证的论文(也可能是检索词的选择问题)。这方面的论文多是关于 Polar 的 5 分钟体能测试能否准确测试最大摄氧量。不同的研究的结论不一样,但是从论文的数据来看,普通人使用 5 分钟体能测试获取最大摄氧量还是比较可靠的。

让足球运动进行 8 周的耐力训练,在训练前后测试最大摄氧量,比较实验室和 Polar 表的测试结果发现,Polar 表的测试数值比实验室的测试结果数值都大。但是相差不大,对于普通爱好者来讲可以接受。训练前后实验室测试结果与 Polar 表测试结果比较(单位ml/kg/min-1)

3. 能帮助我们了解哪些信息?

最大摄氧量(maximal oxygen consumption,V̇O(2) max)是评价有氧能力和心肺能力的重要指标。心肺能力较低,尤其是运动测试结果为倒数四分之一或五分之一人群,其心血管疾病或全因死亡率增加2-4 倍,并独立于其他心血管危险因素。

在运动实践中,最大摄氧量和最大心率一样,都可以帮助判断运动强度,而且最大摄氧量是实验室评估运动强度的金标准。那最大摄氧量和最大心率又有什么区别呢?最大的区别是运动对其影响程度。最大心率只和年龄相关,年龄增加,最大心率减少。(实际上运动训练也会影响最大心率,但影响不大。多数研究认为运动后最大心率减少。)对于最大摄氧量,虽然随着年龄增加最大摄氧量也会下降,但通过运动,仍然可以增加最大摄氧量。

虽然训练能够改变最大摄氧量,但最大摄氧量发生明显改变需要 6-12 个月才能完成。短短几周的训练,最大摄氧量的变化并不大。Bouchard 招募了 483 名久坐不动的白人成年人,让他们执行大约每周三次,每次 50 分钟的中等强度运动。20 周后最大摄氧量提高了 0.4±0.2L/min/kg。

最大摄氧量是相对稳定的指标,因此不需要像血压、心率那样天天测量,半年或者一年测量一次最大摄氧量就可以。所以很多手表会显示当日最大摄氧量或者动态摄氧量,除了多一个卖点,并无其他用途。如果第二天最大摄氧量变化了,只能证明前一次没有测准确。

三、总结

可以测量心率已经是智能手表的标配,成熟的 PPG 技术也保证了心率测量的准确性。但受限于 PPG 使用光的反射测量心率,佩戴不牢、肤色以及肥胖都会对心率产生较大干扰。但好在心率测量不麻烦,我们可以通过比对自己测量的脉搏和手表的读数,来查看手表的准确性。虽然手表可以准确测量心率,但是手表厂商对于心率区间的划分并不准确。我们应该首选能够获取储备心率的手表,如果可以自己设置心率区间更是锦上添花。

最大摄氧量可能反映有氧能力,通过训练可以提高最大摄氧量,但这需要半年的时间。再加上最大摄氧量测试并不复杂。智能手表有没有最大摄氧量的功能,并不是很重要。毕竟,我们还可以自行测试。

本文来自微信公众号:少数派(ID:sspaime),作者:阿帅的健康笔记

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英雄所见略同

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