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運動手錶、運動手環已經成為跑步以及其他運動愛好者不可或缺的重要可穿戴設備。
它們在幫助跑者記錄心率、跑量，評估運動強度、反映運動效果等方面發揮重要作用，它讓看不見的生理參數——心率得以清晰呈現，由此產生了所謂“心率跑法”。
手錶輕巧佩戴方便，相比拿著笨重的手機記錄跑步，輕鬆方便了許多。
對於要求不高的跑者而言，便宜的運動手環基本就足以滿足需要了，而對於成熟跑者來說，動輒幾千塊的運動手錶則是他們的重要裝備。
跑步手錶從測量技術方面主要分為兩類：一類是心電測量技術、一類是光電測量技術。
心電測量準確可靠，但由於必須使用心率帶，一些跑者會覺得有束縛感；
而光電測量技術則完全不需要額外再使用心率帶，大大減輕了跑者負擔從而受到跑者青睞，光電手錶似乎有越來越取代心率帶手錶的趨勢。
但光電手錶在高心率時的精度問題一直受到質疑，也即表現為測量出來的心率高於實際心率，也就是跑者俗稱的在跑得比較快時，光電手錶測量的出來的心率比較飄。
為什麼會發生這種情況，有辦法解決光電手錶在測量高心率時不準的嗎？
本文做一詳細解釋。
一、光電手錶的測量原理
光電手錶的測量方法學名“光電容積脈搏波描記法”，英文為PhotoPlethysmoGraphy，簡稱PPG技術。
其基本原理是這樣的：當光束照射到皮膚表面時，光束可以穿透皮膚，然後通過透射或反射方式傳送到發光源旁邊的光接收器，在此過程中由於受到皮膚、肌肉、血液的吸收衰減作用，接收器檢測到的光強度將減弱。
像皮膚、肌肉和其他組織對光的吸收是基本不變的，而血管裡的血液在心臟節律性的收縮舒張作用之下，呈現週期性搏動血流特徵，心臟每跳動一次，動脈血管就搏動一次並且帶來血流脈衝式流動，當心髒收縮時，血流量增加，血液對於光的吸收增強，檢測到的光強度變小。
而在心臟舒張時，正好相反，檢測到的光強度增加，這就使得使光接收器接收到的光強度呈現跟動脈搏動同樣的節律變化，當我們把光轉換成電信號時，電信號同樣呈現脈衝式特徵，這樣提取脈衝信號，就能計算出每分鐘的心跳次數，也就是心率。
由於血液是紅色的，反射紅光，吸收綠光，所以絕大多數光電手錶是發射綠光。
如果你覺得上面表達有些晦澀，我們可以舉個例子☟
假設手錶的發光數值為100，皮膚、肌肉組織恆定吸收10，血液總吸收為15。
那反射後為100－10×2－15＝65（因為要兩次穿透皮膚），這時心臟收縮，一股血流湧過來，血液總吸收變成了30，那反射後為100－10×2－30＝50。
由於血液是週期性脈衝式流動，所以發光數值就一直呈現65－50－65－50－65－50－65－50－65－50這樣的週期變化，通過計算每秒多少次脈衝變化，就得出你的心率。
二、為什麼大多數心率手錶都是採用的綠光呢？
選擇什麼顏色的光不是隨意的，而是要考慮皮膚由於有顏色會吸收某些波長較短的光，如果光的波長較短就無法進入體內，而且要爭取讓血液吸收更多的光這樣才能敏感地感受到血流脈衝變化特徵。
總體來說，綠光-紅光作為測量光源較好。早起多數採用紅光為光源，但目前認為綠光作為光源得到的信號更好，所以現在大部分運動手錶都採用綠光為光源。
但是考慮到皮膚情況的不用（膚色、汗水），某些高級運動手錶會根據情況，自動輪換使用綠光、紅光等等。
比如AppleWatch就是使用綠光和紅外光，當其處於15攝氏度以下的溫度時，通過測量綠光的吸收狀況來獲取更為精準的數據。
而高溫環境下，比如用戶正在揮汗如雨地跑步時，皮膚表面水分增加，由於更多綠光已經被吸收掉，要檢測皮下反射的綠光就比較困難，這時AppleWatch就轉換到紅外光模式。
佳明手錶同樣也是採用了綠光和紅光兩種模式。
三、影響光電手錶測量精度的因素
雖然很多手錶都聲稱自己測量準確，但如果採用實驗測試方法，還是能發現光電手錶的準確性並不是100%，畢竟人體是一個非常複雜的結構。
影響光電手錶的主要因素至少有這麼一些：
1、干擾信號
事實上，光電式心率測量設備最大的技術障礙是如何將生物特徵信號從大量亂七八糟的干擾信號中分離出來？
當光線射入一個人的皮膚時，由於光線被人體不同組織所吸收，所以只有一小部分光線返回給光接收器，並且這些微弱的被返回的光線中，只有一點點是由心臟收縮的血流量調節的，剩下的都分散在非搏動性生理物質上，例如皮膚、肌肉等等。
因此，人體處於劇烈運動狀態時，皮膚、肌肉這些非搏動性生理物質也產生移動，而這種移動就會導致光線吸收產生變化，由此導致很難從光線中發現真實血流量變化所帶來的光線變化特徵。
此外，周圍光線干擾還加劇這個問題的嚴重性，所以光電手錶佩戴要適度緊一點，如果松鬆垮垮，大量自然光線也會被光接收器所接受，甚至創造出近似生理性質的脈動信號。
因此，在腕帶式光電手錶的使用過程中，通常會要求攜帶者佩戴嚴實，以避免漏光而使得環境光線對測量產生干擾。
2、皮膚膚色
人們膚色不同，顏色深淺不同，也會對對光的吸收產生不同影響，這就意味著光電式心率測量設備傳感器捕獲的光的強度和波長是取決於穿戴手錶的人的膚色的。
例如☟
深色皮膚吸收綠色光較多，如果皮膚顏色較深，那麼測量心率的準確性就會下降，這是不是意味著黑人使用光電式心率手錶幾乎沒有可能？
還有些人有紋身，這也是蘋果被人們詬病的“紋身門”，手腕有紋身的蘋果手錶用戶發現顯示屏上的數據顯示非常微弱，甚至沒有。
也許你會問，膚色淺是不是測量準確性會提高，遺憾的是，膚色越淺的人，反射光則在明亮的光束下又越容易散掉。
3、信號交叉問題
具有周期性特徵的運動比如跑步會產生交叉干擾方面的問題，而光電手錶恰恰測量的最主要的運動就是跑步這類運動，這就是矛盾所在，因為光信號數據通常與擺臂頻率或者步頻頻率（140-190步/分）處於同一個區間裡。
許多光電手錶的運算法則很容易將通過光電手錶測量的擺臂、步頻等信息錯誤解讀成心率，因為跑步時規律地擺臂本身就會成為一個特定的信號干擾。
因為當心率和擺臂頻率、步頻接近重疊時，許多光電手錶傾向於鎖定擺臂頻率並將其顯示為心率。
誇張一點說，光電手錶顯示的是你的步頻，而不是心率。
4、佩戴部位
事實上，腕部是最不能做到精確測量的部位之一。
因為這個區域（肌肉、肌腱、骨頭等等）會產生更高的光線干擾，並且手腕部位的血管結構有高度的變異性，但是戴手錶肯定就是戴在手腕上，矛盾就在這裡！
其實，前臂部位被認為是更好的選擇，因為在那裡的皮膚表面有更高的血管密度。更為誇張的是，對於光電手錶來說，耳朵是至今為止被認為最佳的部位。
因為那裡只有軟骨和毛細血管，即使身體在運動耳朵也不會有的太多位移，因此大大減少了對於光線的干擾。
混合耳機技術和光電技術的耳掛式心率測量裝置會不會成為未來一種的新的技術選擇呢？
儘管目前市面上，光電式心率手錶似乎有取代胸帶式心率手錶的趨勢，因為基於PPG技術的心率測量穿戴設備無論是從測量還是使用上來看都比較方便。
但唯獨在測量精度、穩定性方面卻時常表現得不盡如人意，誤差較大，特別是運動強度比較大，心率比較高的時候。
四、讓人哭笑不得的光電手環測量捲紙“心率”
有人將光電手環套上捲紙上，平放在桌面上，同時打開心率檢測，這時並沒有顯示心率數據。
但是，如果將手環和捲紙繼續放在比較暗的地方，但是拿在手上反覆晃動。這時手環開始穩定地出現了心率數據。
又或者把卷紙平放在桌面上，打開心率檢測。之後開始有規律的按壓卷紙。心率數據再次出現了。
其實不光是手環，甚至蘋果Applewatch也會呈現測量不同物體都能有心率的神奇現象！
捲紙有“心跳”，這顯然是違背邏輯的事情，為什麼會出現這種現象，那是因為這種測試方式主要是依靠光線反射，因此只要反射的光線有一定規律就有可能會被探測器識別為“心率”！
手錶不知道測量的是什麼，它只會根據物理條件和算法“忠實”地記錄實際結果。
有專家表示，衛生紙內的植物纖維是光信號的良好反射體，而不斷地晃動、擠壓卷紙，算法就會將反射的光信號的規律變化擬合為心率，這是很正常的現象！
五、總結
光電手錶測量技術經過多年發展和算法優化，在安靜以及中低強度運動時，精度已經足夠好，但在高心率時，由於影響因素眾多，誤差開始加大。
有些光電手錶要求你戴在小臂、大臂而非手腕上，又或者採用多個發光頭和接收器多通道測量，其目的都是為了避免影響因素，提高測量精度。
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