下篇：光學式心率錶介紹

【中標】皮膚生理構造簡介

【圖說】本圖為皮膚及其底下的構造圖。

本圖摘自：康寧醫護暨管理專科學校，遠距教學中心，授課教師：陳秀珍，授課內容：皮膚系統

由圖可知皮膚主要分成三層(紅色框格處，筆者繪)，依序為表皮層、真皮層與皮下層。其中在真皮層便開始分布許多微血管。

【中標】膚色的決定因子

在簡略介紹皮膚的組織架構後，接著要提到的就是人體的膚色。關於膚色其實分成很多種，像是常聽到的說法有白種人、黃種人和黑種人，但這只是概略的分類方式，膚色的分類方式，可以參考費氏量表(The Fitzpatrick Scale)。

【BOX】菲氏量表

【圖說】即呈現膚色變化的光譜，如圖上所示Type1偏白色，Type3偏黃色，最後Type5偏黑色。

圖片來源：

http://www.palmfreesunwear.com/2015/10/21/know-your-skin-type-know-your-risk/

【小標】黑色素

影響皮膚顏色的主因是皮膚中的黑色素含量，黑色素細胞位於前面介紹過的真皮層與表皮層之間，它是自然的防曬劑，能過濾掉紫外線輻射的有害影響(中紫外線最易引起癌症)，像是中和「自由基」的有害化學物，然而黑色素會讓你的皮膚偏向黑色，例如褐色、黑色。

【中標】光的原理簡介

筆者就讀國中時，記得物理課本就有提到牛頓(Issac  Newton，西元1642~1727年)，在西元1666年，他讓太陽光通過透明的三稜鏡，發現陽光經過鏡面折射後，會被分散成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等七種主要顏色的光，此現象稱作色散，這些光由於人類肉眼可以看見是可見光，稱作可見光譜。

【小標】可見光與不可見光

那剛才有提到可見光，是不是有肉眼看不見的光？有的，看不見的光，就稱做不可見光。

各種色光是屬於波狀的能源，從伽瑪射線、X射線、紫外線、可見光(紅橙黃綠藍靛紫)、紅外線，到無線電波，由圖可知每種光波都有不同的波長(不同的頻率)，由於波長愈短能量愈高。所以可見光中，紫色光波的波長最短，因此能量最高；紅色光波的波長最長，因此能量最低。其中綠光約介於480~530nm左右。

【圖說】圖為可見光與不可見的光譜(Spectrum)，波長的單位是毫微米(nanometer)，單位縮寫為nm，就是常聽到的奈米「奈米」，一奈米等於十億分之一公尺。可見光的波長介於380~750nm(註：應為780nm)之間。

圖片來源：《新化高中生物網路教室》，章節：太陽輻射能

【中標】皮膚與光波

在此圖中，將皮膚分成四種組成物質：水、紅色素、黑色素、其他物質

【圖說】筆者重繪，皮膚內的載色體(chromophore)對於各種波長的吸收程度示意圖

原始圖檔可參考：http://bestofbothworldsaz.com/wp-content/uploads/2011/01/wpbdd71b47_0f.jpg

從圖片中可以得知：

• 照射於皮膚的光線，大部份會被皮膚的載色體(chromophore)吸收，此載色體包括血紅素、黑色素，同時平常我們見到的刺青也算。
• 不同載色體能吸收之光波長並不一致，因此不同顏色的光線穿透皮膚的深度也不同。

【中標】光體積變化信號原理

光體積變化信號(Photoplethysmography，亦稱作光電容積脈波描記法，簡稱PPG)。

簡單來說，就是將光照射進入皮膚後，再測量反射或散射離開的光，藉由比較發射的光線與感應到的光源之間變化，來得知生物組織內的各種可能的生理訊息。

【小標】光學式心率錶如何運作

目前常見使用綠色LED燈照射，由於皮膚內組織對光波的吸收率不同，綠光只能穿透到真皮層附近的血管，因此有些光線會被組織吸收，有些則會散射離開皮膚。現在市面上主要就是藉由發光二極體(LED)照射，藉由體內血液流量變化，偵測出心率。

【圖說】筆者繪製，光學式心率錶照射皮膚和感測光源圖。

當光學式心率錶的LED照射光線時，有部分光線會被血液中的血紅素所吸收。而當人處於運動狀態，心率上升，因此心臟舒張導致，因此光感測器偵測到的光線程度不同。

簡而言之：

• 因為心臟會加速收縮擠出血液到全身時，因此血液內的血流量會提升來供應身體更多氧氣，因此血液中的血紅素會增加。這時LED燈照射在皮膚時，綠光會被血紅素的吸收程度會提高，因此錶內建的光源感測器所偵測到的光源就會減少。

• 當心臟收縮之後，為了讓血液回流，這時流經血量會減少，因此手錶偵測到的光源就會增加。

由於運動時心臟會適度調整縮放速度，因此心率錶便會持續感測偵測到的光線變化，藉此計算出心率。

【小標】為何偵測有時會失誤？

會導致光學式心率錶偵測失靈的情況有很多，在此列出幾點說明：

• 膚色：由於深色皮膚會吸收較多的市面上較常使用的綠光，可能會造成光學感應器讀取血流信號出錯；另外，像是去年發行的Apple公司發行的光學式心率錶，也有使用者因為手腕有刺青(tattoo)的關係，造成光學式心率錶偵測不良。

• 外來光學雜訊：

最常見的像是在戶外運動，容易接收到太陽光，因此像是Apple公司建議使用者戴緊一點、Garmin在FR225的設計有加設防光套等等。

• 穿戴裝置在人體的位置：

目前以在市面上發行可用來運動的光學式心率錶所穿戴的部位，以手腕最常見，另外手臂式、耳機式、頭戴式也佔有一席之地。這些部位的差異在於，運動時是否容易受到動作的干擾，例如有些運動會需要大量手臂動作(運動時容易晃動，導致偵測失誤)、是否較能減少外來光源干擾(像是耳機式的因為光感測器藏在耳內，受到的光源會較少)、血管分佈位置(應考量血管分布密集，容易偵測的部位)。