基于光電容積描記術(shù)（PPG）的心率（HR）監(jiān)測器正在成為消費者使用的真正選擇，不僅用于鍛煉時的心率監(jiān)測，還用于測量其他健康和保健指標，如睡眠質(zhì)量，壓力，運動恢復等。PPG提供了一種更舒適的解決方案，因為它不需要將電極放置在身體上。這些分析中的大多數(shù)都需要心跳以及稱為心跳間歇（IBI）的心跳之間的時間間隔。本文研究了Maxim Integrated可穿戴健康監(jiān)測算法的IBI測量能力。該評估涵蓋了在幾種靜息狀態(tài)下從多個受試者收集的不同類型的數(shù)據(jù)集，并評估了PPG的IBI測量。

介紹

個體心跳之間的時間間隔，稱為心跳間隔（IBI），是一個至關(guān)重要的健康指標。它是心率變異性（HRV）的主要輸入，用于評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用，例如臨床實踐、睡眠質(zhì)量測量以及壓力和恢復分析1.

圖1.圖示了帶有IBI的ECG和PPG波形。

Maxim的可穿戴健康監(jiān)測算法產(chǎn)生四種不同的時域和六種不同的頻域HRV指標。時域指標是 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估Maxim光學HR監(jiān)測儀的IBI測量精度。該比較與Firstbeat Bodyguard 2（BG2）可穿戴RR間隔記錄器進行比較。據(jù)報道，與標準心電圖 （ECG） 相比，參考設備的 RRI 平均絕對誤差 （MAE） 為 2.96ms。參考器件的選擇是通過器件的精度評估來證明的。如圖1所示，根據(jù)ECG和PPG計算的間跳應與中建議的時間間隔相同5.

算法評估方法

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

由于兩個設備不是在同一時刻打開的，因此數(shù)據(jù)流通過最小化其平均絕對差值來相互同步。之后，為了補償Maxim和Bodyguard 2時鐘之間的最終時間漂移，將數(shù)據(jù)分成大約一分鐘的間隔，并為每個間隔執(zhí)行新的同步。有關(guān)此對齊的詳細信息，請參閱后面的部分。

IBI評估僅涵蓋受試者的靜息狀態(tài)，因為這種測量需要這樣做。這是由于人體的性質(zhì)和血液動力學（血流的動態(tài)）。PPG信號波形受血流動力學影響很大，而血流動力學本身也受運動的影響很大。除了血流動力學的影響外，運動還會影響光學傳感器與皮膚之間的相互作用。理想情況下，這種互動應該是不間斷和不受干擾的接觸。雖然信號通過Maxim可穿戴算法中的先進信號處理技術(shù)進行調(diào)理和濾波，但IBI測量仍可能因過度運動而降低。因此，該算法的IBI模塊被限制在沒有加速度計信號上具有一定閾值確定的運動的情況下運行。

數(shù)據(jù)采集

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

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

數(shù)據(jù)記錄條件

活動數(shù)據(jù) 要求受試者進行表1中列出的身體活動。所有活動都在健身房進行，使用跑步機進行步行和跑步。

表 1.數(shù)據(jù)收集活動協(xié)議

數(shù)據(jù)采集

短數(shù)據(jù)集（活動協(xié)議）

健身房數(shù)據(jù)收集

平均持續(xù)時間： ~15 分鐘

數(shù)據(jù)有六個通道：兩個綠色、兩個紅外和兩個紅色

數(shù)據(jù)收集@25sps

參考設備是第一拍保鏢2

一小時數(shù)據(jù)集（看電視）

靜態(tài)數(shù)據(jù)收集

平均持續(xù)時間：~1小時

數(shù)據(jù)有六個通道：兩個綠色、兩個紅外和兩個紅色

數(shù)據(jù)收集@25sps

績效評估

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

對Maxim IBI進行精度評估，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

重新對齊塊以最小化平均絕對誤差

計算誤差和準確性

圖2.（a） 和 （b） 對齊前后的 IBI 行車記錄圖（縱軸是以毫秒為單位的時間，橫軸是索引號）。

工件

HR 時序偽影由多個來源引起。對于健康和臨床受試者來說，它們很常見，而且通常是特征性的，無論是在實驗室還是現(xiàn)場監(jiān)測中，從睡眠到運動。在測量環(huán)境中，磁、電和射頻噪聲可能會干擾設備，尤其是心率監(jiān)測器。此外，電極的接觸困難，例如水分不足、測量設備出現(xiàn)問題或身體運動產(chǎn)生的尖峰可能會引發(fā)誤差。

此外，還存在由身體啟動的內(nèi)部工件。這些心律失常不是技術(shù)意義上的實際人工制品，而是在生理學術(shù)語上不規(guī)則的，會改變計算，因此被視為人工制品。不同的瞬時性心律失常對于健康受試者也是正常的，可以被認為是心電圖和HR時間序列的特征。心動過速和心動過緩等心律失常是病理性的，可能導致相應RR間期的額外心跳（EB）或缺失心跳（MB）4.

對于自動檢測到的異位搏動，缺失和額外心跳都從隨后的誤差和精度計算中排除。異位搏動還計入平均絕對誤差。圖3和圖4顯示了存在異位搏動而沒有異位搏動的兩種情況。

圖3.在行車記錄圖上顯示缺失和額外的節(jié)拍。

圖4.沒有遺漏或額外的節(jié)拍。平均絕對誤差低于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。此外，腕帶更穩(wěn)定，因為受試者故意保持手臂穩(wěn)定。此數(shù)據(jù)集的平均誤差為 6.77ms，報告覆蓋率為 95%。額外心跳 （1.71%） 和缺失心跳 （0.86%） 加起來占該數(shù)據(jù)集總異位心跳動的 2.57%。每個會話的詳細信息可在表 2 中找到。

表 2.電視觀看數(shù)據(jù)集

活動協(xié)議數(shù)據(jù)集的結(jié)果

活動協(xié)議數(shù)據(jù)集由多個活動組成;然而，這里介紹的IBI評估范圍僅限于受試者的靜止狀態(tài)。MAE平均超過17個受試者為12.2ms，而覆蓋率為68%，總共剩下32%的異位心跳。每個會話的詳細信息可在表 3 中找到。

表 3.活動協(xié)議數(shù)據(jù)集

結(jié)論

本文介紹的研究使用基于PPG的腕戴式設備評估IBI的準確性。Maxim可穿戴健康監(jiān)測算法正確檢測到95%以上的心跳，當觀看電視時運動處于最低水平時，平均IBI精度約為6.77ms。由于運動和傳感器皮膚相互作用，結(jié)果可能因活動而異。

結(jié)果表明，基于PPG的新型心率監(jiān)測器正在成為消費者使用的真正選擇，不僅用于鍛煉時的心率監(jiān)測，還用于HRV分析。PPG提供了一種更舒適的解決方案，因為它不需要將電極放置在身體上。

審核編輯：郭婷