可穿戴健康监测算法的间拍间隔测量能力研究

基于光电容积描记术（PPG）的心率（HR）监测器正在成为消费者使用的真正选择，不仅用于锻炼时的心率监测，还用于测量其他健康和保健指标，如睡眠质量，压力，运动恢复等。PPG提供了一种更舒适的解决方案，因为它不需要将电极放置在身体上。这些分析中的大多数都需要心跳以及称为心跳间歇（IBI）的心跳之间的时间间隔。本文研究了Maxim Integrated可穿戴健康监测算法的IBI测量能力。该评估涵盖了在几种静息状态下从多个受试者收集的不同类型的数据集，并评估了PPG的IBI测量。

介绍

个体心跳之间的时间间隔，称为心跳间隔（IBI），是一个至关重要的健康指标。它是心率变异性（HRV）的主要输入，用于评估心脏健康和自主神经系统健康。它还可用于广泛的应用，例如临床实践、睡眠质量测量以及压力和恢复分析1.

图1.图示了带有IBI的ECG和PPG波形。

Maxim的可穿戴健康监测算法产生四种不同的时域和六种不同的频域HRV指标。时域指标是 AVNN、SDNN、RMSSD 和 pNN50。频域是ULF，VLF，LF，HF，LF / HF和TOTPWR2.

本文讨论的研究目的是评估Maxim光学HR监测仪的IBI测量精度。该比较与Firstbeat Bodyguard 2（BG2）可穿戴RR间隔记录器进行比较。据报道，与标准心电图 （ECG） 相比，参考设备的 RRI 平均绝对误差 （MAE） 为 2.96ms。参考器件的选择是通过器件的精度评估来证明的。如图1所示，根据ECG和PPG计算的间跳应与中建议的时间间隔相同5.

算法评估方法

在我们的研究中，使用配备Maxim光学传感器的腕戴式设备进行数据收集，该传感器能够感测多通道、多波段的光学数据。参考装置用心电图电极连接到受试者的胸部。

由于两个设备不是在同一时刻打开的，因此数据流通过最小化其平均绝对差值来相互同步。之后，为了补偿Maxim和Bodyguard 2时钟之间的最终时间漂移，将数据分成大约一分钟的间隔，并为每个间隔执行新的同步。有关此对齐的详细信息，请参阅后面的部分。

IBI评估仅涵盖受试者的静息状态，因为这种测量需要这样做。这是由于人体的性质和血液动力学（血流的动态）。PPG信号波形受血流动力学影响很大，而血流动力学本身也受运动的影响很大。除了血流动力学的影响外，运动还会影响光学传感器与皮肤之间的相互作用。理想情况下，这种互动应该是不间断和不受干扰的接触。虽然信号通过Maxim可穿戴算法中的先进信号处理技术进行调理和滤波，但IBI测量仍可能因过度运动而降低。因此，该算法的IBI模块被限制在没有加速度计信号上具有一定阈值确定的运动的情况下运行。

数据采集

收集的数据可分为两类：（1）短数据集和（2）一小时数据集。第一类包括以下活动：坐着、走路、跑步和休息 15 分钟。在第二个数据集中，受试者舒适地坐着看电视（一个没有引起任何压力的程序）一小时，没有睡觉。

本研究中使用的参考设备是基于 Firstbeat Bodyguard 2 的 ECG 心率监测设备，该设备记录带有电极放置在右上半身和左下半身的心电图。RR记录的测量精度为1ms（采样率：1000Hz）。

数据记录条件

活动数据 要求受试者进行表1中列出的身体活动。所有活动都在健身房进行，使用跑步机进行步行和跑步。

表 1.数据收集活动协议

 

活动	期间
休息（坐着）	5 分钟
过渡	1 分钟
走	5 分钟
运行	5 分钟
走	3 分钟
休息（站立）	2 分钟

 

数据采集

短数据集（活动协议）

健身房数据收集

平均持续时间： ~15 分钟

数据有六个通道：两个绿色、两个红外和两个红色

数据收集@25sps

参考设备是第一拍保镖2

一小时数据集（看电视）

静态数据收集

平均持续时间：~1小时

数据有六个通道：两个绿色、两个红外和两个红色

数据收集@25sps

绩效评估

IBI的精度评估要求参考测量值与Maxim IBI测量值保持一致。来自Maxim算法的数据和来自Bodyguard 2参考设备的数据都使用Firstbeat伪影校正方法进行处理3.使用Mateo等人提出的算法检测异位搏动。4并被排除在评估之外。

对Maxim IBI进行精度评估，我们采取了以下步骤：

了解Maxim Integrated和Firstbeat的IBI之间的全球转变

将两者分成大约 45 秒的块

重新对齐块以最小化平均绝对误差

计算误差和准确性

图2.（a） 和 （b） 对齐前后的 IBI 行车记录图（纵轴是以毫秒为单位的时间，横轴是索引号）。

工件

HR 时序伪影由多个来源引起。对于健康和临床受试者来说，它们很常见，而且通常是特征性的，无论是在实验室还是现场监测中，从睡眠到运动。在测量环境中，磁、电和射频噪声可能会干扰设备，尤其是心率监测器。此外，电极的接触困难，例如水分不足、测量设备出现问题或身体运动产生的尖峰可能会引发误差。

此外，还存在由身体启动的内部工件。这些心律失常不是技术意义上的实际人工制品，而是在生理学术语上不规则的，会改变计算，因此被视为人工制品。不同的瞬时性心律失常对于健康受试者也是正常的，可以被认为是心电图和HR时间序列的特征。心动过速和心动过缓等心律失常是病理性的，可能导致相应RR间期的额外心跳（EB）或缺失心跳（MB）4.

对于自动检测到的异位搏动，缺失和额外心跳都从随后的误差和精度计算中排除。异位搏动还计入平均绝对误差。图3和图4显示了存在异位搏动而没有异位搏动的两种情况。

图3.在行车记录图上显示缺失和额外的节拍。

图4.没有遗漏或额外的节拍。平均绝对误差低于2ms。

结果

电视观看数据集的结果

IBI方差受身体和精神状态的影响很大。在这方面，与其他数据集相比，电视观看数据集具有一些优势。此外，腕带更稳定，因为受试者故意保持手臂稳定。此数据集的平均误差为 6.77ms，报告覆盖率为 95%。额外心跳 （1.71%） 和缺失心跳 （0.86%） 加起来占该数据集总异位心跳动的 2.57%。每个会话的详细信息可在表 2 中找到。

表 2.电视观看数据集

 

数据	前（毫秒）	覆盖率（%）	额外（%）	错过（%）
1	6.86	95.52	1.89	2.59
2	4.42	99.55	0.29	0.16
3	3.49	99.76	0.16	0.08
4	3.63	100	0	0
5	6.88	97.28	1.98	0.74
6	6.21	97.44	1.87	0.69
7	11.68	91.42	6.39	2.19
8	9.35	96.98	1.7	1.32
9	10.05	95.3	3.58	1.12
10	5.21	99.24	0.49	0.27
11	6.72	99.25	0.49	0.26
平均	6.77	95	1.71	0.86

 

活动协议数据集的结果

活动协议数据集由多个活动组成;然而，这里介绍的IBI评估范围仅限于受试者的静止状态。MAE平均超过17个受试者为12.2ms，而覆盖率为68%，总共剩下32%的异位心跳。每个会话的详细信息可在表 3 中找到。

表 3.活动协议数据集

 

数据	前（毫秒）	覆盖率（%）	额外（%）	错过（%）
1	7	67.9	18.2	13.9
2	19.1	83.5	9.3	7.3
3	3.5	67.5	8.2	24.3
4	10.9	58.4	28.5	13.1
5	5.9	72.9	6.3	20.8
6	16.8	64.5	19.8	15.8
7	15.2	50.2	30.3	19.5
8	14.3	64.1	25	11
9	11	78.3	8.2	13.5
10	13.4	57.9	30.7	11.5
11	12.1	59.2	29.7	11.1
12	5.8	65.6	13.6	20.9
13	11	69.9	22.9	7.3
14	8.8	78.9	9.2	11.9
15	16.1	87.7	5.6	6.7
16	25.8	60.4	31.9	7.6
17	10.3	71.5	13.6	14.9
平均	12.2	67.9	18.2	13.9

 

结论

本文介绍的研究使用基于PPG的腕戴式设备评估IBI的准确性。Maxim可穿戴健康监测算法正确检测到95%以上的心跳，当观看电视时运动处于最低水平时，平均IBI精度约为6.77ms。由于运动和传感器皮肤相互作用，结果可能因活动而异。

结果表明，基于PPG的新型心率监测器正在成为消费者使用的真正选择，不仅用于锻炼时的心率监测，还用于HRV分析。PPG提供了一种更舒适的解决方案，因为它不需要将电极放置在身体上。

审核编辑：郭婷