心率監視器運作的原理

心率監視器運作的原理
節錄自華勒斯-西-當努古(Wallace C. Donoghue)之心率監視器購買指南(Heart Rate Monitor Buyers Guide)

與從未使用過心率監視器的人討論過後，我們總是發現人們對心率監視器的功用與如何運作容易感到困惑，許多已經看過心率監視器廣告的人總以為就像佩帶高科技的007腕錶一樣如此簡單，然後就可以直接從你的腕部偵測你的心跳而不需外接的線路或感應器，但不幸地是現在並沒有從手腕處偵測心跳的監視器，另外一種被廣告所混淆困惑的觀念就是以為將手指頭放在手錶的面板上就可以量測心率，廣告並沒有很清楚的告訴你說使用者必須停止運動然後才能將指頭放在感應器上，而且保持靜止不動(and be very still while measuring)，而這些廣告的讀者們總以為這種腕錶監視器可以在運動時連續地量測心率，但其實並非如此。

所有的心率監視器偵測心跳的方法都是隨著每一次的心跳就傳送出一個電子訊號到監視器的電子迴路系統，一個計時電路負責測量每次心跳之間的間歇時間，在一個短週期的時間裡平均這些間歇時間，並將其轉換為每分鐘心跳數的心率讀數，因為我們的心臟並非是像鐘擺般的機械裝置，每一次心跳之間的間歇時間都不一樣，所以心率監視器並不隨著每一次心跳而顯示其相對等的心率；假如心率是連續表示的話，那這心率數字就會隨著每一次的心跳而變化，舉例來說，假如一個人在運動時的平均心率是每分鐘142次心跳，那這連續之讀數應該是145, 141, 138, 143, 142, 147, 141, 137, 140, 144等之諸如此類，隨著每一次心跳而變化，將會使人難以讀取與跟從，為了克服這個缺點，心率監視器取其一段時間的平均數，通常是五到十五秒，取決於各家廠牌，所以心率監視器展示每一階段的平均值直到下一次的更新時間為止。

在各家心率監視器廠牌之間最為顯著不同的就是偵測心跳或心跳訊號(heart signal)的方法，目前有三大主流系統在使用，第一種是使用遠紅外線感應器(infrared sensor)去偵測在指頭或是耳垂上的微血管裡血液的流動，第二種是在手掌區域偵測心電脈衝訊號(EKG electrical signal)，第三種是常常使用彈性皮帶綁在胸膛上的胸膛電極(chest electrodes)去偵測心電脈衝訊號。

每一種偵測系統都有其優點與缺點，以下是針對每一種心率監視器系統的詳述：

一、偵測在指頭或是耳垂上的微血管裡血液的流動(Detecting Blood Flow in the Capillaries of an Ear Lobe or Finger)

此種心率監視器的最普遍形式是在監視器表面上的小玻璃窗下安裝一個遠紅外線感應器，這些設備不是小型的手握型式就是腕錶型式，使用者將指尖或拇指放在玻璃窗上藉由遠紅外線感應器去偵測因為每一次心跳造成在微血管裡血液的流動所引起的細微之遠紅外線的變化，但有個缺點就是大幅動作會使偵測到的遠紅外線訊號改變(motion will cause changes in the infrared signal detected)。
而另外一種遠紅外線偵測系統是將感應器放在夾在耳垂的夾子上，耳垂夾子型的遠紅外線偵測系統通常是一個方形的主機，可以固定在踩踏機的把手上及爬梯機上等等，一個細小的線連接著主機與耳夾，這種形式的優點是1：因為是永久固定在運動器材上，可以非常方便使用者開始使用這些設備運動時量測，2：非常適合俱樂部裡多人使用；這種形式的缺點是1：頭部的擺動或是燈光的閃爍或改變會造成誤差，2：有些人覺得感應器與主機間的細線很不方便，3：沒有腕錶型來的方便與可攜帶性。值得一提的是有一款名叫貓眼(Cateye)的機型，使用高科技的耳垂感應器可以大幅改善頭部的擺動或是燈光的閃爍或改變所造成的誤差。

二、在手掌區域偵測心電脈衝訊號(Electrical Detection of Heart EKG Signal in the Hand Area)

這是偵測心肌跳動脈衝訊號的心率監視器，這種訊號在胸膛區最強，但在手掌區或是指頭也可以偵測到，雖然到底還是比胸膛區的訊號強度弱了許多。這種心率監視器典型的系統型式是兩隻手或手指各自綁住或握住一個金屬極片，這種形式的心率監視器的優點有1：具有完整性(self-contained)與可攜帶性，在一群人中使用也可以容易地傳遞，2：也可以永久固定於運動設備或牆上，所以適合在健身俱樂部裡給多重的使用者使用之；這種形式的缺點是1：使用者必須停止手部與臂膀的運動後才能與監視器的極片接觸，2：當你與監視器的極片接觸後需等待幾秒鐘後才能從主機上讀取心率數，3：當在運動時它們只適合週期性的檢核心率而不能做連續性的心率監視。

三、使用電極在胸膛區域偵測心電脈衝訊號(Detecting the Heart EKG in the Chest Area with Electrodes)

這種監視器也是偵測心肌跳動之脈衝訊號，但是偵測的區域是在訊號最強的胸膛區，其組成包括一條舒適、柔韌的內建電極的皮帶(electrode belt)穿戴在胸線(bust line)的下方，一條可調整的彈性皮帶握住電極皮帶使其正對準胸膛位置，訊號發送器(transmitter)裝在電極皮帶上或是內建在電極皮帶上，負責發送脈衝訊號到監視器的接收器上，胸膛電極偵測心電脈衝訊號系統(Chest electrode EKG system)有以下的優點，1：目前最可靠與精確的系統，2：大部分的人覺得一旦胸膛皮帶穿戴完成，反而沒有比指尖或耳垂型來的麻煩，3：有很方便的腕錶型式的讀取裝置，4：有一堆附有許多其它功能之不同的廠商與型式任君選擇。而這個系統的缺點則是，1：因為胸膛皮帶在衣服下直接與皮膚接觸所以需要一點時間去穿戴，2：容易受電磁波的干擾，如行動電話、靠近電視、電腦及高壓電線等，3：因為大部分的主機使用相同的頻率運作，假如有一個或多個使用者在大約七十六公分(2.5 feet)之內下將導致彼此的監視器產生干擾。

以上是所有心率監視器的基本特徵的總結，何者是最佳選擇則是取決於每個人的需求與喜好程度、運動的種類及其預算而定。

許多監視器都附有其它的額外功能，如日期、鬧鈴、馬錶計時、目標定時、間歇定時與卡洛里計算，而記憶功能則包含如平均心率、目標區持久時間(time in target zone)亦或是在指定的間歇時間之心率(heart rate at regular intervals or specific times)等等，而在這些功能之中最受歡迎的就是目標區警示功能(target zone alarm)，可以讓使用者事先設定心率的上下限，使其很容易地在運動時保持心率在目標區內。