在數碼化與智能化技術迅猛發展的背景下，智能手錶、智能戒指等穿戴式器材已悄然改變我們的日常生活，尤其在健康管理和運動表現最佳化方面取得了顯著的成就。借助這些智能器材，監測運動心率成為提升個人健身和運動效能的關鍵手段。
然而，在復雜多變的運動環境中，準確測量心率數據對於傳統演算法而言具有較大的技術瓶頂。本文將探討如何運用大數據和深度學習技術來開發創新的穿戴式運動心率演算法，以應對其中的技術挑戰，並實作更為精準和可靠的心率監測。
01
運動心率演算法的測量挑戰
運動心率，即人體在運動時心臟每分鐘收縮和舒張的周期性變化，是科學健身的重要指標。通常來說，因不同的運動強度，心率都會隨之變化，同時也與使用者的體質、年齡、性別等因素密切相關。
盡管穿戴式健康測量技術日益高效、準確和便捷，但在實際套用中，傳統的運動心率檢測演算法仍然存在一些問題。特別是在使用者活動狀態突變或進行劇烈運動時，演算法可能面臨狀態轉換適應力差、難以準確監測並剔除運動偽影，以及無法辨識使用者個體差異等問題，導致心率監測反應遲緩、心率數據失真。
■ 狀態轉換問題：一般來說，由於演算法的最佳化和數據處理通常需要一定的時間視窗來達到穩定狀態，因此在狀態轉換的瞬間，心率估計可能會出現延遲或不準確的情況。這種滯後效應不僅影響了即時心率的準確性，還可能誤導使用者進行不適當的運動調整。
圖1：狀態轉化問題相關範例頻譜圖
■ 頻譜混疊問題：在高強度運動中，心跳頻率的顯著增加可能導致心率訊號可能與身體的運動頻率發生重疊。傳統的心率監測演算法往往基於特定的頻率範圍來檢測心率，但當心率訊號與運動頻率相近或重疊時，演算法難以區分和處理這兩個訊號，從而導致測量精度的下降。
圖2：頻譜重疊問題相關範例頻譜圖
02
基於大數據與深度學習的全場景運動心率演算法
當前，在大數據與人工智能技術發展的推動下，穿戴式健康器材的心率檢測演算法實作了飛速發展。這一演算法深度融合了大數據與AI深度學習技術，歷經數據采集、預處理、大數據分析、特征提取、模型構建與訓練、模型評估與最佳化，直至套用實踐等多個環節。這一復雜流程充分利用了大數據的豐富資訊與AI深度學習的強大能力，顯著提升了心率監測的精準度、即時性和個人化水平。
具體而言，該演算法包含以下多維度最佳化措施：
■ 高精準的訊號質素評估單元：對輸入訊號進行量化評估，確保每次測量都是精準可靠。
■ 生理模型心率估計單元：利用大數據技術和神經網絡對運動強度、運動狀態以及頻率與心率進行建模，即使在訊號質素較弱時也能提供準確的心率估計。
■ 高精度場景辨識單元：自動觸發並精確辨識當前的運動場景，根據不同的運動狀態調整心率測量的內建參數，從而改善心率估計的準確性。
■ 多通道數據融合：支持多路PPG訊號的選擇與融合，進一步提升效能。
得益於上述多維度最佳化，心率檢測演算法在狀態轉化及頻譜混疊方面展現出顯著的效能改善。以下是改善結果的示意圖：
圖3. 狀態轉化結果圖示
圖4. 頻譜重疊結果圖示
經過訓練與最佳化的深度學習模型套用於實際場景中的心率監測，包括整合至可穿戴器材以實作即時心率監測與預警功能，或部署至雲端伺服器為使用者提供遠端心率監測與分析服務。在套用過程中，還需持續收集使用者反饋與數據，以便對模型進行不斷的改進與最佳化。
03
總結
在運動心率檢測方面，芯海科技CS1262作為一款穿戴式健康測量領域的成熟芯片，憑借高配置性、高精度測量、超強抗幹擾能力、低功耗操作、全膚色適配、高可靠性和易用性等優勢，以及提供完整的軟件演算法整合方案，顯著提升了客戶的終端方案開發效率，助力產品快速上市。
芯海科技在健康測量領域始終堅持精益求精，構建了從高精度測量芯片到全場景運動心率演算法，再到OKOK雲端大數據平台的一站式整體解決方案。該方案能夠為使用者提供準確、即時的心率測量，全面評估健康狀況，帶來專業、智能的健康管理體驗。目前，該方案已實作了頭部客戶的旗艦終端產品上實作規模化量產，為智能可穿戴市場帶來更多可能性。
芯海科技
（股票程式碼：688595）成立於2003年9月，是一家集感知、計算、控制、
連線
於一體的全訊號鏈
集成電路
設計企業。公司專註於高精度ADC、高可靠性MCU、測量演算法以及物聯網一站式解決方案的研發設計。產品和方案廣泛套用於工業測量與工業控制、通訊與電腦、鋰電
管
理、消費電子、汽車電子、智慧家居、智能儀表、智慧健康等領域。
公司總部位於深圳，在合肥、西安、上海、成都建立子公司，設立北京辦事處，是國家級高新技術企業、累計八次獲得國家工信部「中國芯」獎項，獲得深圳市科技創新獎及科技進步獎，並被廣東省科技廳認定為「廣東省物聯網芯片開發與套用工程技術研究中心」，透過汽車電子ISO 26262功能安全管理體系認證，並被評為國家級專精特新「小巨人」企業。
公司是國內少有的擁有模擬訊號鏈和MCU雙平台驅動，且同時擁有物聯網整體解決方案的集成電路設計企業之一，近五年的年均研發投入超過30%，研發人員占比超70%，核心成員均有10年以上工作經驗。
截止2024年上半年，芯海科技累計擁有專利申請超1100件，已授權專利近500件（含美國專利），擁有專利數量在科創板芯片設計上市公司中名列前茅，同時被認定為國家知識產權優勢企業，並榮獲第二十四屆中國專利優秀獎。
