有氧運動心率監測中三款運動手環準確性的比較

史詠美

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

運動手環普遍采用光電容積脈搏波描記法（PPG）進行心率監測。當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，繼而轉為數字信號，最后經過算法輸出心率值。但是這種測量方法易受環境因素影響而造成心率檢測的誤差，進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運動心率監測的準確性進行研究。

1 研究對象和方法

研究對象為20名揚州大學社會體育指導與管理專業的學生，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光學心率傳感器（LED），并配備了特別定制的心率算法，具有高品質、高精度的特點，因此作為本次研究心率測量的效標。通過比較不同運動手環在有氧運動中進行心率監測的有效性來評估它們的準確性。

實驗過程分為4個階段：（1）靜坐五分鐘后，記錄安靜狀態下的監測心率。（2）進行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，結束后即刻進行心率測量并記錄。（3）休息2分鐘。（4）進行3分鐘的中強度勻速跑，通過Polar表將心率控制在130-150左右，結束后即刻進行心率測量并記錄。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 研究結果與分析

2.1 安靜狀態下不同運動手環心率測量的準確性

20名大學生靜坐五分鐘，同時通過PolarM430手表、華為3手環、小米3手環進行安靜心率的測量。其中PolarM430手表測量的安靜心率均值±標準差為66±3.1（次/分）。不同手環與PolarM430手表測量結果之間的差異描述結果見表1。

與Polarm430手表的安靜心率測試結果相比，華為3及小米3運動手環均相差2-3次/分。從絕對誤差來看，華為3手環的絕對誤差略低，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，對安靜狀態心率的測量，華為3運動手環的準確性略好于小米3。但結合絕對誤差、絕對誤差百分比的標準差來看，華為3手環安靜心率誤差的標準差均高于小米3，這表明華為3手環測試誤差的穩定性欠佳。

為進一步討論PolarM430手表、華為3手環、小米3手環安靜心率測量的一致性，進行了Bland-Altman分析，結果見圖1。

對于安靜心率的測試，與PolarM430手表相比，華為3手環與和小米3手環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%置信區間范圍均略大，這除了與測量對象個體特征有關，更可能與不同手環測量心率的技術有關。從一致性區間范圍上看，小米3手環對安靜心率測量準確性略好于華為3手環。

2.2 小強度運動時不同運動手環心率測量的準確性

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

與Polarm430手表的3分鐘小強度運動時心率測試結果相比，平均而言，華為3及小米3運動手環均會相差3-4次/分。從絕對誤差來看，華為3手環的絕對誤差的均值略低于小米3手環，為3.42。同時從絕對誤差百分比（MAPE）來看，華為3手環的均值也略低，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運動手環的準確性略好于小米3。但結合絕對誤差、絕對誤差百分比的標準差來看，小強度運動時華為3手環心率誤差的標準差均高于小米3，這表明小強度運動時，華為3手環測試誤差的穩定性欠佳，與安靜狀態心率結果一致。

為進一步討論PolarM430手表、華為3手環、小米3手環在小強度運動時測量的一致性，進行了Bland-Altman分析，結果見圖2。

對于小強度運動時心率的測試，PolarM430手表相比，華為3手環誤差的均值為1.8次/分，一致性95%置信區間為（-13.7，10）；小米3手環誤差的均值為0.2次/分，一致性95%置信區間為（-11.4，11.4）。這表明無論是華為3手環還是小米3手環，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%置信區間范圍均較大。與安靜心率的測量相比，無論是小米3手環還是華為3手環，小強度運動時的一致性區間范圍都明顯變寬，這表明兩手環在小強度運動時，兩手環心率測量的穩定性均變差，這除了與測量對象個體特征有關，更可能與運動狀態下手臂不同幅度擺動導致手環的滑動、不同手環心率測量技術等有關。相比于安靜狀態，運動狀態下，手環進行心率監測的準確性降低。

2.3 中等強度運動時不同運動手環心率測量的準確性

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

與Polarm430手表的3分鐘中等強度運動時心率測試結果相比，平均而言，華為3及小米3運動手環均會相差5-6次/分。從絕對誤差來看，華為3手環的絕對誤差的均值略高于小米3手環，為5.73。同時從絕對誤差百分比（MAPE）來看，華為3手環的均值也略高，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運動手環的準確性略好于華為3。結合絕對誤差、絕對誤差百分比的標準差來看，中等強度運動時華為3手環心率誤差的標準差均高于小米3，這表明中等強度運動時，華為3手環測試誤差的穩定性欠佳，與前面的實驗結果一致。

為進一步討論PolarM430手表、華為3手環、小米3手環在中等強度運動時測量的一致性，進行了Bland-Altman分析，結果見圖3。

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

3 研究結論與建議

3.1 建議

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

3.2 結論

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

（作者單位：揚州大學體育學院）