光電容積脈搏波描記法(PPG)測(cè)試足球運(yùn)動(dòng)員賽時(shí)心率的準(zhǔn)確性研究

玉溪師范學(xué)院體育學(xué)院 汪 雄 陳玉林

華南師范大學(xué)體育科學(xué)學(xué)院 張恒亮 王 壘 黃國(guó)虎 劉鴻優(yōu)

1 前言

光電容積脈搏波描記法（Photo Plethysmo Graphy，以下簡(jiǎn)稱PPG）是通過(guò)光電手段在活體組織中檢測(cè)血液容積變化的一種無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法[1]。PPG可運(yùn)用于人體血液、心臟和呼吸相關(guān)參數(shù)的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)，較為成功的臨床應(yīng)用為監(jiān)護(hù)儀中的血氧和脈率檢測(cè)[1]。由于PPG所具有的無(wú)創(chuàng)性、方便性、簡(jiǎn)潔性、穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用價(jià)值不局限于醫(yī)院中的臨床檢測(cè)、監(jiān)護(hù)、急救體能測(cè)試，還可應(yīng)用于社區(qū)、家庭和學(xué)校的身體指標(biāo)和運(yùn)動(dòng)量監(jiān)控，服務(wù)于大健康領(lǐng)域。時(shí)下興行的智能手環(huán)和臂環(huán)等裝備更是將PPG融入其中，運(yùn)用于監(jiān)控運(yùn)動(dòng)中的人體實(shí)時(shí)心率，試檢驗(yàn)，只有數(shù)據(jù)足夠準(zhǔn)確的前提下，才能充分發(fā)揮該方法在運(yùn)動(dòng)與大健康領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用價(jià)值[2,3]。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本研究選取內(nèi)置了PPG功能的“簡(jiǎn)極-茵戰(zhàn)K1(GENGEE INSAIT K1)”智能足球運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)分析系統(tǒng)作為測(cè)試工具，借鑒前人類似研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[3]，通過(guò)測(cè)試模塊間的數(shù)據(jù)比對(duì)的方式對(duì)PPG測(cè)試運(yùn)動(dòng)中人體心率的準(zhǔn)確性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目為參與人數(shù)較多、運(yùn)動(dòng)形式較為復(fù)雜足球項(xiàng)目。測(cè)試對(duì)象為隨機(jī)選取的研究依托單位的20名大學(xué)生女子足球運(yùn)動(dòng)員（年齡：20.3±1.9歲，身高163.76.5cm，體重55.4±5.8kg）。20名被試被分為4個(gè)隊(duì)伍，同時(shí)進(jìn)行兩場(chǎng)持續(xù)30分鐘的五人制足球比賽，每名被試輪流充當(dāng)6分鐘的守門員。每名被試同時(shí)佩戴兩個(gè)GENGEE INSAIT K1測(cè)試器模塊參賽。

2.2 數(shù)據(jù)分析

測(cè)試比賽完成后，每名被試身上的兩個(gè)測(cè)試模塊的數(shù)據(jù)都被導(dǎo)入到個(gè)人電腦中進(jìn)行處理，生成出賽時(shí)最大心率、賽時(shí)平均心率、90-100%最大心率比賽時(shí)間、80-89%最大心率比賽時(shí)圖科學(xué)合理地量化運(yùn)動(dòng)負(fù)荷，降低運(yùn)動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)，提高體育鍛煉效果，甚至提升競(jìng)技運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

表1 兩個(gè)不同PPG測(cè)試模塊采集的足球運(yùn)動(dòng)員賽時(shí)心率相關(guān)指標(biāo)數(shù)值一覽表

盡管PPG采集心率數(shù)據(jù)時(shí)具有諸多優(yōu)勢(shì)，但是要將采集到的數(shù)據(jù)運(yùn)用于指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)鍛煉、競(jìng)技運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和相關(guān)科學(xué)研究，必須先對(duì)該方法跟蹤獲得的運(yùn)動(dòng)中人體心率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行間、70-79%最大心率比賽時(shí)間、60-69%最大心率比賽時(shí)間、<60%最大心率比賽時(shí)間7個(gè)測(cè)試指標(biāo)。通過(guò)對(duì)比兩個(gè)測(cè)試模塊生成的每名被試的每一項(xiàng)指標(biāo)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)化均值變化(Standardised Change in Mean，SCM)、標(biāo)準(zhǔn)化典型誤差(Standardised Typical Error，STE)和組間相關(guān)系數(shù)(Intra-class Correlation，ICC)來(lái)檢驗(yàn)PPG測(cè)試足球運(yùn)動(dòng)員賽時(shí)心率的準(zhǔn)確性。

3 研究結(jié)果與分析

表1展示了內(nèi)置PPG功能的“簡(jiǎn)極-茵戰(zhàn)K1(GENGEE INSAIT K1)”智能足球運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)分析系統(tǒng)對(duì)20名足球運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行測(cè)試時(shí)，又不同測(cè)試模塊生成出的心率相關(guān)參數(shù)的具體數(shù)值。

前人的研究成果認(rèn)為，同一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由不同的人員操作或者同一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的不同模塊對(duì)同一個(gè)被試進(jìn)行測(cè)試時(shí)，生成的數(shù)據(jù)之間的標(biāo)準(zhǔn)化均值變化值處在-0.2到0.2之間，這證明測(cè)試誤差為微小無(wú)意義誤差；標(biāo)準(zhǔn)化典型誤差在0.6以下，測(cè)試誤差為可接受的小誤差；而組間相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.75以上，則證明該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性極高[3,4]。由表1可見(jiàn)，GENGEE INSAIT K1系統(tǒng)在采集足球運(yùn)動(dòng)員賽時(shí)最大心率、賽時(shí)平均心率和各個(gè)心率段內(nèi)的比賽時(shí)間等7項(xiàng)心率相關(guān)參數(shù)時(shí)，模塊間輸出數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化均值變化值處于-0.13到0.13之間，標(biāo)準(zhǔn)化典型誤差處在0.15和0.53之間，而組間相關(guān)系數(shù)則介于0.80和0.98之間，證明該系統(tǒng)在測(cè)試足球運(yùn)動(dòng)員的賽時(shí)心率時(shí)具備足夠的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示，將PPG融入智能臂環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，用于測(cè)試足球運(yùn)動(dòng)員賽時(shí)心率相關(guān)參數(shù)時(shí)，具備足夠的準(zhǔn)確性，采集到的數(shù)據(jù)可以運(yùn)用于指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)鍛煉、競(jìng)技運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和相關(guān)科學(xué)研究等用途。