文献综述（或调研报告）：
心率是指心脏跳动的频率，心脏在一分钟内跳动的次数。作为生命的一项重要的特征，心率可以直接有效的体现出生命状态。心率的改变可以反映出心脏的功能状态和交感神经张力，越来越多的研究显示了过快的心率与心血管疾病发生及预后密切相关。[1]心率计的心率测量功能因此显得意义非凡，不仅可以用于日常生活与运动中对身体健康的监管，也可以作为临床诊断与治疗的重要辅助工具。这里需要注意的是要把心率计与心电图仪器区分开来，心电图仪器是专业的医疗设备[2]，心电图除了可以显示心率，还包含大量的其他重要的生理信息，而心率只是心脏的跳动频率。
心率计是个人的心率监控设备，可以用于实时测量自己的心率并记录以供后续研究。在心率计诞生之前，通过用手指按压手腕或者颈部的动脉来计数，以此获得心率数据，但是这种方式有着不少明显的缺点，比如测试时间长、需要计时器等。历史上第一台无线心率计由Polar Electro于1977年发明，用于辅助芬兰国家越野滑雪队的训练。[14]
从测量原理上来看，心率计可以分成两种，一种是心动电流测量法，另一种是光电透射测量法。人体每次心跳都会产生心跳电流，心动电流测量法就是通过在人体胸部前后放置两片感应极片来测量心动电流，并推算出心率的测量方法。利用这种原理制作的心率计通常被称为心率胸带，而根据感应电极的不同又可以分为传统硬式心率胸带和新型的柔性织物胸带。硬式心率胸带采用的是导电橡胶电极块，嵌在硬质塑胶带上。柔性织物心率胸带采用的是柔性薄膜电极，通过热压熔接在柔性织物带上，特点是十分轻薄，穿戴舒适，减少了运动中胸带移动产生的摩擦干扰。光电透射测量法根据具体用光可以分为普通光电测量法和绿光光电测量法。光电测量方法是利用血管内血液血红蛋白的吸光度的变化来测量脉搏。[7]手表装有红外发射光束回路和接收反射回路。这种方法测量心率优点是非常简便无需胸带，但是由于信号极为微弱而非常容易受到外界干扰而造成测量数据不准确而且一般需要安静的状态下测量，不适合运动中持续测量心率。绿光光电测量法是由两个绿色波长的发光LED和一个光敏传感器组成，置于心率计的背部。其原理是基于手臂血管中的血液在脉动的时候会发生密度改变而引起透光率的变化。发光LED发出绿色波长的光波，光敏传感器可以接受手臂皮肤的反射光并感测光场强度的变化再换算成心率。
利用心动电流测量法的心率计一般而胸带式设计，而利用光电测量法的心率计则比较灵活，有指尖式[8]、手表式、耳机式等。胸带式设计因为感应器接近胸部，测量的数据较为精准，但是在佩戴上则缺乏便捷度与舒适度。反观光电式的心率计，由于测量的是光在反射前后产生的微小变化，并且测量位置距离心脏较远，误差偏大，此外，光电式心率计还容易受到外界光源的干扰，在运动过程中，身体部位与测量仪器之间的相互运动也会干扰测量结果。此外，光电式的心率计在测试过程中需要发射光线，因此能耗略高。
光电透射测量法减少干扰提高精度的方法：首先是外部光源的干扰，虽然有论文表示外界光照对人体内变化的影响是相同的，即可以相互抵消[3]。但是在实际生活中光源来源复杂多变，尤其是在不同方向上有不同的光照强度的时候，会对传感器产生较大的影响，所以相对较好的处理方法是保持测试的局部区域处于较暗的环境中，例如通过添加遮罩。第二点影响是在测量过程中被测试部位与心率计的相对运动会干扰测试结果，这种需要在算法上进行优化，排除无效的干扰信号，提取有效值，计算平均值。光电式的心率计一般测试的部位有手指、手腕和耳朵，在运动过程中，入耳式耳机可以较紧密的贴合在耳朵上，所以实际上耳内测试部位与耳机之间的相对运动很小，对结果干扰比较小。第三点是皮肤出汗与肤色。光电式心率计是通过对光源被吸收的测试来分辨波动的，在运动过程中皮肤出汗以及在肤色较黑时，会吸收更多的光源，干扰测量结果。这种情况需要有针对性的进行算法优化
基于手机信号处理的心率测试应用在目前也是一种简单易获取的心率测试方式，这种方法的原理属于光电式的测量方法。基本原理是让用户将手指指尖覆盖手机的摄像头，利用相机多次拍摄手指指尖，然后分析指尖颜色变化的周期来确认心跳速率。[6]由于每次心跳都会将血液输送到指尖的毛细血管之中，这一过程中，指尖的颜色会产生细微的变化，因此利用相机连续捕捉指尖的图像可以推算出心率，不过这种依靠拍照的检测结果和相机的拍照质量有关系，相机拍照质量越高，测量误差会更小。
目前，市面上顶尖的心率计样式比较丰富。美国Wahoo Fitness的Tickr X和芬兰的Polar H7，都是胸带式的心率计。JBL公司的 UA Sport和三星的Gear IconX则属于嵌入了心率计的耳机。MIO Link和Scosche Rhythm 则是手腕式的心率计。[15]上述六款心率计的一个共同点就是都支持蓝牙，通过连接手机可以有效的增加心率计的功能扩展，这一点符合未来设备互连的趋势。苹果和小米还将心率计嵌入到Apple Watch和小米手环之中，将心率测量变为可穿戴设备的一项功能。回望过去的MP3，作为音乐播放器的发展历程，可以大胆推测心率计在未来也会两极化发展，一个方向为集成到其他智能设备中，面向广大群众，提供常用便捷的服务，另一个方向则是专业化，给有特别需求的专业用户服务，如需要长续航、高等级防水的专业运动员，或者需要管理分析众多病人数据的医护人员。
综上所述，心率计在运动与医疗领域已经获得了长足的发展，并且形成了主要分两种工作原理的种类，一种测量精度更高，但是测量方式比较麻烦，另一种测量精度稍低，但是测量精度方式十分便捷。心率计在普通居民的日常生活中还有待推广与发展，在未来的发展方向上，因考虑将心率计嵌入到其他智能设备中以供使用。本课题将采用第二种原理，基于嵌入式平台设计一种低价、易用的心率计，用于日常生活的心率检测。
参考文献：
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