阻抗体积描记法与光电体积描记法传感器对温度诱导的外周血管收缩的差异性敏感性

为什么给手腕降温会影响可穿戴设备

我们中许多人依赖智能手表和健身手环来跟踪心率和健康状况。但当你的手真的很冷时，比如捂着冰袋或在冬日行走时，这些传感器会发生什么？本研究探讨了两种常见的体内血流测量方式如何对冷刺激做出反应：一种用于研究设备的电学方法和一种用于大多数可穿戴设备的光学方法。理解它们的差异有助于开发在日常条件下更智能、更可靠的健康追踪器。

两种不同的“听脉”方式

研究者关注两种无创传感方法。一种叫做光电容积描记法（photoplethysmography），通过向皮肤发射光并测量随每次心跳返回光的变化；这正是许多手表底部可见的绿色或红外 LED 闪烁的原理。另一种是阻抗容积描记法（impedance plethysmography），通过四个皮肤电极向手臂传递极小且无害的电流，追踪随血流变化的电阻变化。虽然基于光的传感器已知对靠近表面的浅层血管非常敏感，但人们认为电学方法能检测到更深层的结构信号，不过在人体中对此尚缺乏充分验证。

用冰作为自然的测试手段

为了探测每种传感器“观察”体内的深度，团队采用了一个简单但有效的技巧：冷刺激。当皮肤被冷却时，表层的小血管会收缩，显著减少上层的血流，而不一定改变大动脉的血压。21 名成年志愿者来到实验室，在前臂桡动脉同一位置佩戴了这两种传感器。在一次试验中，假冰块放置在毛巾上覆盖手臂，以模拟重量和压力但不降温。另一次则使用真实冰块造成皮肤温度大幅下降，同时志愿者保持静止和放松。

信号发生了哪些变化——哪些没有改变

冷刺激完全达到了预期效果：传感器上方的皮肤平均降温超过 13 摄氏度，而血压保持稳定，心率在放松时略有减慢。基于光的传感器对冷却表现出明显反应。其脉搏信号幅度下降约 40%，这意味着光学传感器检测到的浅层血容量的周期性起伏显著减少。相比之下，电学传感器的脉搏信号在降温前后几乎保持不变。更细致的时序特征——例如从心脏电激发到手腕处脉搏波传到所需时间——在两种传感器中也基本没有改变，这与整体血压未发生变化的观察一致。

这些传感器各自“看到”哪里的线索

两种传感器对冷刺激相反的反应提供了重要线索。如果电学方法主要感知与光学传感器相同的浅表血管，它的信号在那些血管收缩时也应当减弱。事实并非如此：在光学信号下降的同时，电学信号保持稳定。这强烈表明电学测量更受更深层血管（例如皮下的桡动脉）影响，而这些血管对短时间的局部冷却不那么敏感。先前关于前臂电流分布的计算机模拟也支持这一观点，显示大部分电流路径通过比表面毛细血管更深的组织。

对未来可穿戴设备的意义

对非专业读者来说，结论是：并非身体上所有脉搏传感器看到的都是同一事物。光学传感器非常适合跟踪浅层血流的变化，但在皮肤变冷或血管收缩时可能会失真。相反，电学传感器在相同条件下似乎更为稳定，这表明它们可能更适合监测更深层的血流和与心脏相关的活动。将两种方法结合到未来的可穿戴设备中可以提高其在日常生活中的鲁棒性，使手表或手环无论手是温暖、寒冷还是介于两者之间，都能持续提供关于心血管状况的可靠见解。

引用: Jung, S., Thomson, S., Pantelopoulos, A. et al. Differential sensitivity of impedance plethysmography and photoplethysmography sensors to temperature-induced peripheral vasoconstriction. Sci Rep 16, 6828 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36563-6

关键词: 可穿戴传感器, 血流, 冷暴露, 脉搏监测, 智能手表准确性