可穿戴健康監(jiān)測(cè)算法的間拍間隔測(cè)量能力研究

基于光電容積描記術(shù)（PPG）的心率（HR）監(jiān)測(cè)器正在成為消費(fèi)者使用的真正選擇，不僅用于鍛煉時(shí)的心率監(jiān)測(cè)，還用于測(cè)量其他健康和保健指標(biāo)，如睡眠質(zhì)量，壓力，運(yùn)動(dòng)恢復(fù)等。PPG提供了一種更舒適的解決方案，因?yàn)樗恍枰獙㈦姌O放置在身體上。這些分析中的大多數(shù)都需要心跳以及稱(chēng)為心跳間歇（IBI）的心跳之間的時(shí)間間隔。本文研究了Maxim Integrated可穿戴健康監(jiān)測(cè)算法的IBI測(cè)量能力。該評(píng)估涵蓋了在幾種靜息狀態(tài)下從多個(gè)受試者收集的不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)集，并評(píng)估了PPG的IBI測(cè)量。

介紹

個(gè)體心跳之間的時(shí)間間隔，稱(chēng)為心跳間隔（IBI），是一個(gè)至關(guān)重要的健康指標(biāo)。它是心率變異性（HRV）的主要輸入，用于評(píng)估心臟健康和自主神經(jīng)系統(tǒng)健康。它還可用于廣泛的應(yīng)用，例如臨床實(shí)踐、睡眠質(zhì)量測(cè)量以及壓力和恢復(fù)分析1.

圖1.圖示了帶有IBI的ECG和PPG波形。

Maxim的可穿戴健康監(jiān)測(cè)算法產(chǎn)生四種不同的時(shí)域和六種不同的頻域HRV指標(biāo)。時(shí)域指標(biāo)是 AVNN、SDNN、RMSSD 和 pNN50。頻域是ULF，VLF，LF，HF，LF / HF和TOTPWR2.

本文討論的研究目的是評(píng)估Maxim光學(xué)HR監(jiān)測(cè)儀的IBI測(cè)量精度。該比較與Firstbeat Bodyguard 2（BG2）可穿戴RR間隔記錄器進(jìn)行比較。據(jù)報(bào)道，與標(biāo)準(zhǔn)心電圖 （ECG） 相比，參考設(shè)備的 RRI 平均絕對(duì)誤差 （MAE） 為 2.96ms。參考器件的選擇是通過(guò)器件的精度評(píng)估來(lái)證明的。如圖1所示，根據(jù)ECG和PPG計(jì)算的間跳應(yīng)與中建議的時(shí)間間隔相同5.

算法評(píng)估方法

在我們的研究中，使用配備Maxim光學(xué)傳感器的腕戴式設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，該傳感器能夠感測(cè)多通道、多波段的光學(xué)數(shù)據(jù)。參考裝置用心電圖電極連接到受試者的胸部。

由于兩個(gè)設(shè)備不是在同一時(shí)刻打開(kāi)的，因此數(shù)據(jù)流通過(guò)最小化其平均絕對(duì)差值來(lái)相互同步。之后，為了補(bǔ)償Maxim和Bodyguard 2時(shí)鐘之間的最終時(shí)間漂移，將數(shù)據(jù)分成大約一分鐘的間隔，并為每個(gè)間隔執(zhí)行新的同步。有關(guān)此對(duì)齊的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱后面的部分。

IBI評(píng)估僅涵蓋受試者的靜息狀態(tài)，因?yàn)檫@種測(cè)量需要這樣做。這是由于人體的性質(zhì)和血液動(dòng)力學(xué)（血流的動(dòng)態(tài)）。PPG信號(hào)波形受血流動(dòng)力學(xué)影響很大，而血流動(dòng)力學(xué)本身也受運(yùn)動(dòng)的影響很大。除了血流動(dòng)力學(xué)的影響外，運(yùn)動(dòng)還會(huì)影響光學(xué)傳感器與皮膚之間的相互作用。理想情況下，這種互動(dòng)應(yīng)該是不間斷和不受干擾的接觸。雖然信號(hào)通過(guò)Maxim可穿戴算法中的先進(jìn)信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行調(diào)理和濾波，但I(xiàn)BI測(cè)量仍可能因過(guò)度運(yùn)動(dòng)而降低。因此，該算法的IBI模塊被限制在沒(méi)有加速度計(jì)信號(hào)上具有一定閾值確定的運(yùn)動(dòng)的情況下運(yùn)行。

數(shù)據(jù)采集

收集的數(shù)據(jù)可分為兩類(lèi)：（1）短數(shù)據(jù)集和（2）一小時(shí)數(shù)據(jù)集。第一類(lèi)包括以下活動(dòng)：坐著、走路、跑步和休息 15 分鐘。在第二個(gè)數(shù)據(jù)集中，受試者舒適地坐著看電視（一個(gè)沒(méi)有引起任何壓力的程序）一小時(shí)，沒(méi)有睡覺(jué)。

本研究中使用的參考設(shè)備是基于 Firstbeat Bodyguard 2 的 ECG 心率監(jiān)測(cè)設(shè)備，該設(shè)備記錄帶有電極放置在右上半身和左下半身的心電圖。RR記錄的測(cè)量精度為1ms（采樣率：1000Hz）。

數(shù)據(jù)記錄條件

活動(dòng)數(shù)據(jù) 要求受試者進(jìn)行表1中列出的身體活動(dòng)。所有活動(dòng)都在健身房進(jìn)行，使用跑步機(jī)進(jìn)行步行和跑步。

表 1.數(shù)據(jù)收集活動(dòng)協(xié)議

數(shù)據(jù)采集

短數(shù)據(jù)集（活動(dòng)協(xié)議）

健身房數(shù)據(jù)收集

平均持續(xù)時(shí)間： ~15 分鐘

數(shù)據(jù)有六個(gè)通道：兩個(gè)綠色、兩個(gè)紅外和兩個(gè)紅色

數(shù)據(jù)收集@25sps

參考設(shè)備是第一拍保鏢2

一小時(shí)數(shù)據(jù)集（看電視）

靜態(tài)數(shù)據(jù)收集

平均持續(xù)時(shí)間：~1小時(shí)

數(shù)據(jù)有六個(gè)通道：兩個(gè)綠色、兩個(gè)紅外和兩個(gè)紅色

數(shù)據(jù)收集@25sps

績(jī)效評(píng)估

IBI的精度評(píng)估要求參考測(cè)量值與Maxim IBI測(cè)量值保持一致。來(lái)自Maxim算法的數(shù)據(jù)和來(lái)自Bodyguard 2參考設(shè)備的數(shù)據(jù)都使用Firstbeat偽影校正方法進(jìn)行處理3.使用Mateo等人提出的算法檢測(cè)異位搏動(dòng)。4并被排除在評(píng)估之外。

對(duì)Maxim IBI進(jìn)行精度評(píng)估，我們采取了以下步驟：

了解Maxim Integrated和Firstbeat的IBI之間的全球轉(zhuǎn)變

將兩者分成大約 45 秒的塊

重新對(duì)齊塊以最小化平均絕對(duì)誤差

計(jì)算誤差和準(zhǔn)確性

圖2.（a） 和 （b） 對(duì)齊前后的 IBI 行車(chē)記錄圖（縱軸是以毫秒為單位的時(shí)間，橫軸是索引號(hào)）。

工件

HR 時(shí)序偽影由多個(gè)來(lái)源引起。對(duì)于健康和臨床受試者來(lái)說(shuō)，它們很常見(jiàn)，而且通常是特征性的，無(wú)論是在實(shí)驗(yàn)室還是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，從睡眠到運(yùn)動(dòng)。在測(cè)量環(huán)境中，磁、電和射頻噪聲可能會(huì)干擾設(shè)備，尤其是心率監(jiān)測(cè)器。此外，電極的接觸困難，例如水分不足、測(cè)量設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題或身體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的尖峰可能會(huì)引發(fā)誤差。

此外，還存在由身體啟動(dòng)的內(nèi)部工件。這些心律失常不是技術(shù)意義上的實(shí)際人工制品，而是在生理學(xué)術(shù)語(yǔ)上不規(guī)則的，會(huì)改變計(jì)算，因此被視為人工制品。不同的瞬時(shí)性心律失常對(duì)于健康受試者也是正常的，可以被認(rèn)為是心電圖和HR時(shí)間序列的特征。心動(dòng)過(guò)速和心動(dòng)過(guò)緩等心律失常是病理性的，可能導(dǎo)致相應(yīng)RR間期的額外心跳（EB）或缺失心跳（MB）4.

對(duì)于自動(dòng)檢測(cè)到的異位搏動(dòng)，缺失和額外心跳都從隨后的誤差和精度計(jì)算中排除。異位搏動(dòng)還計(jì)入平均絕對(duì)誤差。圖3和圖4顯示了存在異位搏動(dòng)而沒(méi)有異位搏動(dòng)的兩種情況。

圖3.在行車(chē)記錄圖上顯示缺失和額外的節(jié)拍。

圖4.沒(méi)有遺漏或額外的節(jié)拍。平均絕對(duì)誤差低于2ms。

結(jié)果

電視觀看數(shù)據(jù)集的結(jié)果

IBI方差受身體和精神狀態(tài)的影響很大。在這方面，與其他數(shù)據(jù)集相比，電視觀看數(shù)據(jù)集具有一些優(yōu)勢(shì)。此外，腕帶更穩(wěn)定，因?yàn)槭茉囌吖室獗３质直鄯€(wěn)定。此數(shù)據(jù)集的平均誤差為 6.77ms，報(bào)告覆蓋率為 95%。額外心跳 （1.71%） 和缺失心跳 （0.86%） 加起來(lái)占該數(shù)據(jù)集總異位心跳動(dòng)的 2.57%。每個(gè)會(huì)話的詳細(xì)信息可在表 2 中找到。

表 2.電視觀看數(shù)據(jù)集

活動(dòng)協(xié)議數(shù)據(jù)集的結(jié)果

活動(dòng)協(xié)議數(shù)據(jù)集由多個(gè)活動(dòng)組成;然而，這里介紹的IBI評(píng)估范圍僅限于受試者的靜止?fàn)顟B(tài)。MAE平均超過(guò)17個(gè)受試者為12.2ms，而覆蓋率為68%，總共剩下32%的異位心跳。每個(gè)會(huì)話的詳細(xì)信息可在表 3 中找到。

表 3.活動(dòng)協(xié)議數(shù)據(jù)集

結(jié)論

本文介紹的研究使用基于PPG的腕戴式設(shè)備評(píng)估IBI的準(zhǔn)確性。Maxim可穿戴健康監(jiān)測(cè)算法正確檢測(cè)到95%以上的心跳，當(dāng)觀看電視時(shí)運(yùn)動(dòng)處于最低水平時(shí)，平均IBI精度約為6.77ms。由于運(yùn)動(dòng)和傳感器皮膚相互作用，結(jié)果可能因活動(dòng)而異。

結(jié)果表明，基于PPG的新型心率監(jiān)測(cè)器正在成為消費(fèi)者使用的真正選擇，不僅用于鍛煉時(shí)的心率監(jiān)測(cè)，還用于HRV分析。PPG提供了一種更舒適的解決方案，因?yàn)樗恍枰獙㈦姌O放置在身體上。

審核編輯：郭婷