马拉松背后的“腕上”光学传感热

2026年上半年，马拉松赛道接连迎来破纪录时刻：3月的东京马拉松，中国选手丰配友跑出新纪录，中国男子马拉松正式进入“205时代”；4月的伦敦马拉松，肯尼亚名将萨巴斯蒂安·萨维成为首位在世界田联认可的正式马拉松赛事中跑进2小时的运动员。

跑友们在惊叹于极限成绩之时，也在广泛讨论：除了持之以恒的训练，这些卓越跑者还有哪些习惯、或是装备值得业余爱好者借鉴？那块手腕上不起眼的手表，或许就是答案之一！

对于跑步爱好者来说，腕上的运动手表的确十分重要，它持续记录配速、心率等数据，辅助跑者完成对身体数据的实时掌控。跑完比赛后，朋友圈里最先晒出的往往不是奖牌，而是一张完整的运动数据截图。

那么，这些看似精确的身体数据，到底是怎么来的？手表没有“抽血”，也没有贴上医院里的心电电极，只是在手腕背面闪着几束绿光、红光，它为什么能测量心跳、血氧、能量消耗？没错，答案就藏在手表背面闪烁的光里。

运动手表里最核心的光学测量方法，通常被叫作光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography），简称PPG。这是一种用光去记录血管里血容量随心跳发生的变化的简单、低成本的光学技术，可服务于心血管相关生理测量^[1]。运动手表工作时，其背面的LED会向皮肤发出光；发出的光进入皮肤后，一部分会被皮肤、毛发、汗液、肌肉和血液吸收，一部分在组织里发生散射，还有一部分反射回手表，被旁边的光电探测器接收。而血液中的血红蛋白会吸收光，直接影响被探测器接收的信号强度。

图1 PPG技术。(a)透射式PPG技术;(b)反射式PPG技术

（图片来源：https://www.researching.cn/ArticlePdf/m00006/2023/43/15/1512002.pdf）

具体来说，每一次心脏的跳动，皮肤下的血容量都会变化：心脏收缩时，更多血液被推向外周，皮肤下局部血容量增加，血红蛋白吸收的光也随之增多，返回探测器的光相应减弱；心脏舒张时，血容量相对减少，返回的光则相对增强。于是，探测器接收到的光强便会随着心跳呈现周期性起伏。

器件把接收到光信号转换成电信号后，就是信号处理的环节了。此时直接返回的光信号中不只有心跳信息，皮肤、骨骼和其他组织对光的吸收和反射形成了相对稳定的“背景”信息，脉搏引起的变化则叠加在这一背景之上。这种不变加周期性变化的模式，很类似于直流信号和交流信号。手表经过放大、滤波和算法处理，提取出其中与脉搏同步的周期性波动，就能记录血容量的变化，进而计算心率，得到身体数据。

运动手表背面发出的光，一般包括绿光、红光和红外光，它们各有分工。其中，由于血红蛋白对绿光具有较强的吸收，同时短波长的光在皮肤中散射的更明显，因此与红光和近红外光相比，绿光穿透皮肤的深度相对较浅，对腕部浅层血管中的血容量变化较为敏感。多亏了血红蛋白的强吸收，当心脏搏动引起血容量变化时，返回探测器的绿光强度会出现明显起伏，有利于手表提取稳定的脉搏信号。在Maeda等人的研究中也讨论了可穿戴设备中反射式绿光PPG的优势^[2]。

图2 皮肤组织中光线传播轨迹及归一化剩余能量分布示意图

图中线条颜色表示光线传播过程中的归一化剩余能量，红色表示剩余能量较高，蓝紫色表示剩余能量较低

（图片来源：https://www.opticsjournal.net/Articles/OJ3cc84a58f3121c2f/FullText）

和绿光相比，红光和红外光穿透人体组织的深度则通常更大，主要配合用于血氧测量，这是因为含氧血红蛋白和含氧血红蛋白，对不同波长光的吸收能力不一样。在红光波段，脱氧血红蛋白吸收得更多；在红外光波段，含氧血红蛋白吸收得更多。设备同时测量两种光随脉搏产生的变化，再比较二者的吸收比例，便可以间接估算动脉血氧饱和度。

早在运动手表之前，这种方法就被广泛使用，比如经典脉搏血氧仪会提取随脉搏变化的PPG信号，并比较红光和近红外光在脉动过程中的吸收比例，再结合内置模型估算血氧饱和度^[3,4]。相比传统的指夹式血氧仪，运动手表参与数据分析的腕部血流信号更弱，运动干扰更多，对光路设计、佩戴贴合度和算法补偿的要求更高。

很多跑者都有类似体验：静坐时手表心率较为准确，甚至和自己数出来的心率一致，但一跑起来，尤其是间歇跑、爬坡、越野、冬天低温开跑或者表带松了的时候，心率曲线就可能突然飙高、掉线，和身体感觉也对不上。这时就要考虑到不同运动状态对于测量的干扰了。具体来说，有三类主要因素影响着测量的准确性。

图3 静息状态和跑步状态下的腕部PPG信号对比

（图片借助AI生成）

首先，佩戴状态会直接影响光信号的稳定性。表带太松，传感器和皮肤接触不稳定，跑步时会出现缝隙和相对滑动；表带太紧，又可能压迫局部血管，影响血流和PPG波形。手表佩戴的位置也很重要。虽然通常建议戴在腕骨上方一点的位置，但是每个人有自己的佩戴习惯、手腕粗细，最准确的佩戴方式很难用定量的刻度线等描述出来，也就不可避免的存在个体差异。

更主要的干扰来自运动伪影。跑步时，手腕会随摆臂不断加速、减速；出汗时，手表和皮肤之间随时发生细小滑动。一旦发生皮肤拉伸、局部压力变化和环境光漏入，都会改变光在皮肤中的传播路径和返回探测器的强度，带来误差^[5]。尤其麻烦的是，摆臂和步频本身也具有周期性。当这些运动成分的频率，刚好接近心率所在的频段时，算法就难以判断哪个才是真正的心跳^[6]。

环境和个体差异也会增加测量难度。毛发、纹身、皮下组织厚度会改变光的吸收和散射过程，同一块手表戴在不同人手腕上，获得的信号质量可能并不相同。最后，不同品牌、不同型号的手表在同一个使用场景时也可能给出不完全一致的读数。

所以，运动手表更适合帮助我们观察训练强度和长期变化，不应被当作医疗诊断设备。真正的运动中还需要结合身体的感受来判断。

今天的运动手表已经能够测量心率、血氧等指标，但是没有被开发的身体数据还有很多。可穿戴光学传感设备的未来首先在“光”本身。除了绿光、红光和红外光，未来设备可能拓展出更多波长组合，在不同场景下自动选择更合适的光源方案，对更多身体数据进行统计分析。

光路和探测器也有很大的改进空间。手表背面空间很小，LED、光电探测器和其他传感器都被压缩在狭小空间内。优化光路、电路结构，可以让这个狭小的位置放下更多的可用设备，提升返回信号质量。对于测量血氧、血压趋势、血管状态等更微弱、复杂的指标来说，这些硬件改进会有很大帮助。

图4 可穿戴式传感应用。（a）镀有金反射涂层的可拉伸PDMS光波导应变传感器；（b）可拉伸光纤应变传感器编织集成到运动贴；（c）人体的负重运动监测；（d） 脉搏信号监测；（e）发音时颈部肌肉运动监测

（图片来源：https://www.researching.cn/ArticlePdf/m00002/2023/60/13/1316002.pdf）

光学传感器也未必会一直局限在手表上，柔性光波导、可拉伸光纤和光学织物的发展，使传感器能够进一步融入运动贴片、衣物甚至纤维之中。这些柔性设备可以覆盖更大的身体区域，为运动监测提供更多维度的信息。比如PPG容易受到运动干扰，但运动本身又可以被加速度计和陀螺仪记录，设备之间可以相互验证。如果把多波长PPG 与加速度计、陀螺仪、温度传感器、压力传感器甚至心电电极结合起来，就可以用算法把复杂的信息拼成更多维度的身体状态^[7,8]。

手表背面闪烁的光是光学技术进入日常生活的方式。随着更多波长的光源、更精细的探测器设计和多传感器融合技术的发展，可穿戴设备或许能更稳定地读懂身体^[9,10]。

科学编辑 | 邹榆红

编辑 | 徐睿