史詠美

通過控制變量法，通過20名大學(xué)生在不同強度有氧運動時，佩戴三款運動手環(huán)（PolarM430、小米3手環(huán)、華為榮耀3手環(huán)）時監(jiān)測到的心率，來評估它們的準(zhǔn)確性。安靜狀態(tài)時，各運動手環(huán)的準(zhǔn)確性較高，互相之間的差異不大。有氧運動時，各運動手環(huán)心率測量的準(zhǔn)確性并不一致，且隨著運動強度增加，準(zhǔn)確性呈下降的趨勢。

運動手環(huán)普遍采用光電容積脈搏波描記法（PPG）進(jìn)行心率監(jiān)測。當(dāng)光照透過皮膚組織后，再反射到光敏傳感器，血液的流動下光照會有一定的衰減，傳感器收集這些不同反射量的光，繼而轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，最后經(jīng)過算法輸出心率值。但是這種測量方法易受環(huán)境因素影響而造成心率檢測的誤差，進(jìn)而影響到運動強度的控制，造成運動效果下降，因此有必要對不同運動手環(huán)運動心率監(jiān)測的準(zhǔn)確性進(jìn)行研究。

1 研究對象和方法

研究對象為20名揚州大學(xué)社會體育指導(dǎo)與管理專業(yè)的學(xué)生，其中男7人，女13人，并將參與者分為四組，每組五人。PolarM430采用了6顆LED光學(xué)心率傳感器（LED），并配備了特別定制的心率算法，具有高品質(zhì)、高精度的特點，因此作為本次研究心率測量的效標(biāo)。通過比較不同運動手環(huán)在有氧運動中進(jìn)行心率監(jiān)測的有效性來評估它們的準(zhǔn)確性。

實驗過程分為4個階段：（1）靜坐五分鐘后，記錄安靜狀態(tài)下的監(jiān)測心率。（2）進(jìn)行3分鐘的小強度勻速快走，通過Polar表將心率控制在110-130左右，結(jié)束后即刻進(jìn)行心率測量并記錄。（3）休息2分鐘。（4）進(jìn)行3分鐘的中強度勻速跑，通過Polar表將心率控制在130-150左右，結(jié)束后即刻進(jìn)行心率測量并記錄。其中低強度運動心率參考人體最大心率的60%，中等強度的心率范圍參考人體最大心率的60%-80%，最大心率以（220-年齡）來估算。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 安靜狀態(tài)下不同運動手環(huán)心率測量的準(zhǔn)確性

20名大學(xué)生靜坐五分鐘，同時通過PolarM430手表、華為3手環(huán)、小米3手環(huán)進(jìn)行安靜心率的測量。其中PolarM430手表測量的安靜心率均值±標(biāo)準(zhǔn)差為66±3.1（次/分）。不同手環(huán)與PolarM430手表測量結(jié)果之間的差異描述結(jié)果見表1。

與Polarm430手表的安靜心率測試結(jié)果相比，華為3及小米3運動手環(huán)均相差2-3次/分。從絕對誤差來看，華為3手環(huán)的絕對誤差略低，為2.05。從絕對誤差百分比（MAPE）來看，華為3手環(huán)的均值低于小米，但均不超過4%。因此從平均值上來看，對安靜狀態(tài)心率的測量，華為3運動手環(huán)的準(zhǔn)確性略好于小米3。但結(jié)合絕對誤差、絕對誤差百分比的標(biāo)準(zhǔn)差來看，華為3手環(huán)安靜心率誤差的標(biāo)準(zhǔn)差均高于小米3，這表明華為3手環(huán)測試誤差的穩(wěn)定性欠佳。

為進(jìn)一步討論PolarM430手表、華為3手環(huán)、小米3手環(huán)安靜心率測量的一致性，進(jìn)行了Bland-Altman分析，結(jié)果見圖1。

對于安靜心率的測試，與PolarM430手表相比，華為3手環(huán)與和小米3手環(huán)的誤差的均值分別為為-1.1次/分、-0.2次/分，一致性95%置信區(qū)間分別為（-5.9，8.1）、（-6.1，6.4）。對比PolarM430手表，兩者的誤差均值均不大，但一致性95%置信區(qū)間范圍均略大，這除了與測量對象個體特征有關(guān)，更可能與不同手環(huán)測量心率的技術(shù)有關(guān)。從一致性區(qū)間范圍上看，小米3手環(huán)對安靜心率測量準(zhǔn)確性略好于華為3手環(huán)。

2.2 小強度運動時不同運動手環(huán)心率測量的準(zhǔn)確性

20名大學(xué)生控制心率在110-130次/分，進(jìn)行小強度的3分鐘快走，同時通過PolarM430手表、華為3手環(huán)、小米3手環(huán)進(jìn)行運動后即刻心率的測量。其中PolarM430手表測量的心率均值±標(biāo)準(zhǔn)差為122±3.7（次/分）。不同手環(huán)與PolarM430手表測量結(jié)果之間的差異描述結(jié)果見表2。

與Polarm430手表的3分鐘小強度運動時心率測試結(jié)果相比，平均而言，華為3及小米3運動手環(huán)均會相差3-4次/分。從絕對誤差來看，華為3手環(huán)的絕對誤差的均值略低于小米3手環(huán)，為3.42。同時從絕對誤差百分比（MAPE）來看，華為3手環(huán)的均值也略低，為2.7%。因此從平均值上來看，對小強度的運動心率測量，華為3運動手環(huán)的準(zhǔn)確性略好于小米3。但結(jié)合絕對誤差、絕對誤差百分比的標(biāo)準(zhǔn)差來看，小強度運動時華為3手環(huán)心率誤差的標(biāo)準(zhǔn)差均高于小米3，這表明小強度運動時，華為3手環(huán)測試誤差的穩(wěn)定性欠佳，與安靜狀態(tài)心率結(jié)果一致。

為進(jìn)一步討論PolarM430手表、華為3手環(huán)、小米3手環(huán)在小強度運動時測量的一致性，進(jìn)行了Bland-Altman分析，結(jié)果見圖2。

對于小強度運動時心率的測試，PolarM430手表相比，華為3手環(huán)誤差的均值為1.8次/分，一致性95%置信區(qū)間為（-13.7，10）；小米3手環(huán)誤差的均值為0.2次/分，一致性95%置信區(qū)間為（-11.4，11.4）。這表明無論是華為3手環(huán)還是小米3手環(huán)，平均而言會略低估運動時的心率，與PolarM430手表誤差均值都不大，但一致性95%置信區(qū)間范圍均較大。與安靜心率的測量相比，無論是小米3手環(huán)還是華為3手環(huán)，小強度運動時的一致性區(qū)間范圍都明顯變寬，這表明兩手環(huán)在小強度運動時，兩手環(huán)心率測量的穩(wěn)定性均變差，這除了與測量對象個體特征有關(guān)，更可能與運動狀態(tài)下手臂不同幅度擺動導(dǎo)致手環(huán)的滑動、不同手環(huán)心率測量技術(shù)等有關(guān)。相比于安靜狀態(tài)，運動狀態(tài)下，手環(huán)進(jìn)行心率監(jiān)測的準(zhǔn)確性降低。

2.3 中等強度運動時不同運動手環(huán)心率測量的準(zhǔn)確性

20名大學(xué)生控制心率在130-150次/分，進(jìn)行小強度的3分鐘快跑，同時通過PolarM430手表、華為3手環(huán)、小米3手環(huán)進(jìn)行運動后即刻心率的測量。其中PolarM430手表測量的心率均值±標(biāo)準(zhǔn)差為146±5.7（次/分）。不同手環(huán)與PolarM430手表測量結(jié)果之間的差異描述結(jié)果見表4。

與Polarm430手表的3分鐘中等強度運動時心率測試結(jié)果相比，平均而言，華為3及小米3運動手環(huán)均會相差5-6次/分。從絕對誤差來看，華為3手環(huán)的絕對誤差的均值略高于小米3手環(huán)，為5.73。同時從絕對誤差百分比（MAPE）來看，華為3手環(huán)的均值也略高，為3.8%。因此從平均意義上來看，對中等強度的運動心率測量，小米3運動手環(huán)的準(zhǔn)確性略好于華為3。結(jié)合絕對誤差、絕對誤差百分比的標(biāo)準(zhǔn)差來看，中等強度運動時華為3手環(huán)心率誤差的標(biāo)準(zhǔn)差均高于小米3，這表明中等強度運動時，華為3手環(huán)測試誤差的穩(wěn)定性欠佳，與前面的實驗結(jié)果一致。

為進(jìn)一步討論PolarM430手表、華為3手環(huán)、小米3手環(huán)在中等強度運動時測量的一致性，進(jìn)行了Bland-Altman分析，結(jié)果見圖3。

對于中等強度運動時心率的測量，與PolarM430手表相比，華為3手環(huán)誤差的均值為-4.2次/分，一致性95%置信區(qū)間為（-16.7，7.9）；小米3手環(huán)誤差的均值為-1.9次/分，一致性95%置信區(qū)間為（-14.4，10.5）。這表明無論是華為3手環(huán)還是小米3手環(huán)，與PolarM430手表的誤差均值均不是太大，但一致性95%置信區(qū)間范圍均較大。與安靜狀態(tài)、小強度運動時的心率測量相比，中等強度運動時，無論是小米3手環(huán)還是華為3手環(huán)，一致性區(qū)間范圍都明顯變寬，這表明隨著運動強度的加大，兩手環(huán)心率測量的穩(wěn)定性均會變得更差。這除了與測量對象個體特征有關(guān)，更可能與運動強度增大后人體汗液均多，手環(huán)與皮膚之間的隔膜導(dǎo)致反應(yīng)延時等有關(guān)系。

3 研究結(jié)論與建議

3.1 建議

大學(xué)生在進(jìn)行有氧運動時，若以參考為目的，用華為3或小米2手環(huán)進(jìn)行心率的監(jiān)測都是不錯的選擇，但應(yīng)注意其結(jié)果均存在一定的誤差，佩戴部位，測量方法均會影響結(jié)果，特別是進(jìn)行大強度的運動時，誤差會更大。因此不能盲目相信運動手環(huán)心率測量的結(jié)果。對于心率的監(jiān)測，若更側(cè)重于準(zhǔn)確性，可根據(jù)實踐情形選擇觸診、電子胸帶監(jiān)測裝備或心電圖的方式。

3.2 結(jié)論

安靜狀態(tài)時，各運動手環(huán)監(jiān)測心率的準(zhǔn)確性較高，互相之間的差異不大。從平均值來看，華為3及小米3手環(huán)對安靜心率測量的準(zhǔn)確性均較高：有氧運動時，各運動手環(huán)心率測量的準(zhǔn)確性并不一致，且隨著運動強度增加，準(zhǔn)確性呈下降的趨勢。小強度運動時，華為3略好于小米3手環(huán)，中等強度運動時，小米3略好于華為3手環(huán)。

（作者單位：揚州大學(xué)體育學(xué)院）