華為智能終端手表估測動(dòng)脈彈性的評價(jià)

孫寧玲，王魯雁，喜楊，楊帆，陳源源，王鴻懿，崔玉賢

動(dòng)脈硬化性疾病是一個(gè)隱匿的、漸進(jìn)性發(fā)展的過程，在血管發(fā)生結(jié)構(gòu)性病變之前先發(fā)生血管功能性病變，臨床上可無癥狀，常表現(xiàn)為動(dòng)脈僵硬度的增加，進(jìn)而會(huì)逐漸促進(jìn)動(dòng)脈硬化和粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展以及出現(xiàn)心腦血管事件，因此歐洲[1]和中國高血壓指南[2]都強(qiáng)調(diào)對高血壓患者要進(jìn)行頸-股動(dòng)脈脈搏波傳導(dǎo)速度（cfPWV）的測定來判斷動(dòng)脈硬化以及血管損傷。然而動(dòng)脈僵硬度的測定需要到大型醫(yī)院以及有動(dòng)脈彈性檢測設(shè)備的醫(yī)院進(jìn)行測定，也存在掛號難、預(yù)約時(shí)間長、價(jià)格高以及檢查患者有限等問題，在國家2030 中國健康行動(dòng)的規(guī)劃下，利用創(chuàng)新技術(shù)以及移動(dòng)智能終端技術(shù)進(jìn)行健康管理已經(jīng)成為可能。華為終端研制的可穿戴設(shè)備的智能終端手表可以測定心率和心電圖，為心律失常的自我檢測提供了簡單易行的手段。

近年，華為不斷地創(chuàng)新和研發(fā)通過多功能傳感器采集用戶的心電、脈搏等海量的信息數(shù)據(jù)計(jì)算用戶的脈搏波傳導(dǎo)速度（PWV），結(jié)合脈搏波信號，通過手表提取出與動(dòng)脈健康相關(guān)的指標(biāo)，創(chuàng)新地計(jì)算出受測人群的動(dòng)脈彈性。本研究采用法國康普樂公司所產(chǎn)動(dòng)脈硬化檢測儀與華為移動(dòng)終端的智能化手表上的心電圖（ECG）和光電容積脈搏波信號（PPG）功能[3]估算出來的cfPWV 進(jìn)行對比和驗(yàn)證，以評價(jià)具有穿戴移動(dòng)智能終端手表與手機(jī)《血管健康研究》APP 的鏈接在評估動(dòng)脈彈性中的作用。

1 資料與方法

1.1 納入及排除標(biāo)準(zhǔn)

入選90 例志愿受試者，性別匹配，3 個(gè)年齡組人群，即＜30 歲、30～60 歲和＞60 歲，每組30 例。用智能手表估測cfPWV 與法國康普樂動(dòng)脈硬化檢測儀（金標(biāo)準(zhǔn)）所測得的cfPWV 進(jìn)行對比。本課題批準(zhǔn)號：2019-Z-28。本研究經(jīng)過北京大學(xué)人民醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，倫理批件號：2019 PHB-196-01，所有人群進(jìn)入研究填寫知情同意書。

入選標(biāo)準(zhǔn)：（1）18 歲及以上成年人；（2）具有中國國籍并在國內(nèi)居住；（3）本人或具有法律效力的監(jiān)護(hù)人，具有良好的中文書寫、閱讀及交流能力；（4）包括明確診斷的動(dòng)脈硬化患者和有患病風(fēng)險(xiǎn)的人；（5）具備正常使用華為動(dòng)脈硬化篩查設(shè)備的能力，依從性好；（6）自愿入組，簽訂知情同意書，且遵循保密協(xié)議；（7）通過脈率測定具有規(guī)律的竇性節(jié)律（測量期間無心律失常/脈搏紊亂）。

排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）精神疾病患者；（2）出現(xiàn)嚴(yán)重病情、遵從性差等不適宜繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)的情況；（3）受試者有嚴(yán)重心血管、肝、腎等疾?。唬?）受試者正在參加其他相關(guān)的臨床試驗(yàn)或者3 個(gè)月內(nèi)參加其他臨床試驗(yàn)；（5）患有嚴(yán)重周圍動(dòng)脈閉塞性病變累及左、右側(cè)頸動(dòng)脈、上肢動(dòng)脈、髂動(dòng)脈、股動(dòng)脈無法完成cfPWV 檢測者；（6）頻發(fā)早搏、心房顫動(dòng)等導(dǎo)致檢測過程中無法獲得規(guī)律的竇性節(jié)律者；（7）急性嚴(yán)重疼痛，嚴(yán)重的痛苦感，或焦躁者；（8）身體上或情感上的不安或不合作；（9）以任何原因拒絕參與者；（10）研究者認(rèn)定的其他不合格條件。

1.2 人群信息采集

一般信息：性別、年齡、身高、體重，詢問病史（疾病史、治療史）。

血壓的測定：每位患者按照2018 年中國高血壓指南[2]，診室坐位，休息15 min,采用合適袖帶的電子血壓計(jì)（歐姆龍HBP1300）進(jìn)行血壓和心率的測量，平均測量3 次，每次測量偏差在5 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）之間，如超過5 mmHg,再加測1 次，取平均值。

1.3 人群cfPWV 數(shù)據(jù)采集及流程

由北京大學(xué)人民醫(yī)院心血管專業(yè)醫(yī)師和技術(shù)人員采用法國康普樂動(dòng)脈硬化檢測儀測量cfPWV。檢查開始前受檢者需安靜休息10 min，患者共需要采集9 組數(shù)據(jù)，包括：臥位采用康普樂動(dòng)脈硬化檢測儀測量cfPWV 數(shù)據(jù)3 組、坐位及臥位采用華為智能終端手表（型號：HUAWEI WATCH GT 2 Pro）測得的cfPWV 數(shù)據(jù)各3 組。9 組數(shù)據(jù)，先坐位3 組采用智能終端手表測試；然后臥位6 組，其中3 組使用康普樂動(dòng)脈硬化檢測儀測試，3 組使用智能終端手表測試，此過程中2 種方法交替進(jìn)行，每次之間休息60 s。主要數(shù)據(jù)采集步驟如下：

（1）測試手表與手機(jī)進(jìn)行匹配：測量前打開手機(jī)中《血管健康研究》APP，受試者先坐位休息10 min 后，左手佩戴華為智能終端手表，右手食指輕觸采集器，采集ECG+PPG 數(shù)據(jù)，每次測量30 s，連續(xù)測量3 次,每次之間隔60 s，數(shù)據(jù)可在匹配手機(jī)端血管健康A(chǔ)PP 上顯示并記錄。如果3 次數(shù)據(jù)之間差值＞0.5 m/s,則增加1 次測量取平均值。

（2）測試：受試者平臥位,由專業(yè)醫(yī)護(hù)人員使用康普樂動(dòng)脈硬化檢測儀測量受試者cfPWV。將壓力感受器置于兩動(dòng)脈位置上并適當(dāng)微調(diào)直至屏幕顯示正確的脈搏波波形，每次測量10 個(gè)心動(dòng)周期，誤差范圍波動(dòng)在上下5%以內(nèi)則視為數(shù)據(jù)有效，測量3次，如果3 次數(shù)據(jù)之間差值＞0.5 m/s,將增加一次測量取平均值。臥位同時(shí)佩戴華為智能終端手表采集ECG+PPG 數(shù)據(jù)，每次測量30 s。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SAS 9.4 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。連續(xù)性變量使用均值±標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行描述，分類變量使用個(gè)數(shù)（百分比）表示。Bland -Altman 評價(jià)兩種方法的一致性，基于Bland-Altman 均值誤差和均標(biāo)準(zhǔn)差，國際動(dòng)脈協(xié)會(huì)指南中給出了用于非侵入式PWV 測量設(shè)備準(zhǔn)確度的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[4]：均值誤差≤0.5 m/s 且標(biāo)準(zhǔn)差≤0.8 m/s 為優(yōu)秀；均值誤差≤1.0 m/s 且標(biāo)準(zhǔn)差≤1.5 m/s 為可接受；均值誤差＞1.0 m/s 或標(biāo)準(zhǔn)差＞1.5 m/s 為差。繪制ROC 曲線，計(jì)算AUC，確定特異度和靈敏度。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算采用Pearson 相關(guān)系數(shù)，采用t檢驗(yàn)計(jì)算相關(guān)系數(shù)的顯著性（P值）。采用Logistic 回歸分析評價(jià)cfPWV 的影響因素。以雙側(cè)P＜0.05 代表差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 受試者一般情況信息

按照對智能終端手表估測cfPWV 要求，共招募到志愿者90 例（排除了各種心律失常），其中男性45 例、女性45 例，平均年齡（49.64±19.59）歲，體重指數(shù)（24.18±3.28）kg/m2，平均收縮壓（117.11±13.84）mmHg、舒張壓（74.02±8.63）mmHg，心率（68.66±9.81）次/min，其中無心血管危險(xiǎn)因素64 例，有心血管危險(xiǎn)因素26 例[包括高血壓17 例（平均血壓127/82 mmHg）、高脂血癥6 例（3 例使用他汀類藥物）、糖尿病3 例（均使用降糖藥物）]。

2.2 智能終端手表與動(dòng)脈硬化檢測儀的Bland-Altman 一致性分析和ROC 曲線下面積（圖1、2）

圖1 智能終端手表與動(dòng)脈硬化檢測儀測量的cfPWV 的Bland-Altman 一致性分析

Bland-Altman一致性分析：均值誤差為-0.17 m/s、均標(biāo)準(zhǔn)差為1.21 m/s，為可接受水平。ROC 曲線下面積為0.897，特異度91.9%、靈敏度87.5%，宏觀F1 值86.0%，準(zhǔn)確度91.0%。

圖2 智能終端手表與動(dòng)脈硬化檢測儀測量的cfPWV 的ROC 曲線及AUC

2.3 智能終端手表與動(dòng)脈硬化檢測儀的相關(guān)性分析（表1）

表1 不同分層受試者智能終端手表與動(dòng)脈硬化檢測儀的相關(guān)性分析

在測試集90 例中進(jìn)行分層，分析了不同年齡、不同危險(xiǎn)因素、血壓、體重指數(shù)、心率及用藥等的智能終端手表算法cfPWV 與動(dòng)脈硬化檢測儀測量cfPWV 的相關(guān)性分析。結(jié)果顯示：智能終端手表算法cfPWV 與動(dòng)脈硬化檢測儀測試的cfPWV 相關(guān)性很好，總的相關(guān)系數(shù)為0.8380，P＜0.0001，在不同分層下均是一致性結(jié)果。

2.4 智能終端手表與動(dòng)脈硬化檢測儀的準(zhǔn)確性分析（表2、3）

表2 測試集上不同分層受試者的絕對均值誤差與該分層下金標(biāo)準(zhǔn)cfPWV 均值

在不同年齡、體重指數(shù)、危險(xiǎn)因素、用藥、血壓水平受試者的對應(yīng)分層中，智能終端手表測得的cfPWV 與動(dòng)脈硬化檢測儀測試cfPWV 的絕對均值誤差0.87 m/s（＜1.0 m/s），不同分層下受試者智能終端手表對比動(dòng)脈硬化檢測儀測試cfPWV 均值的絕對均值誤差在年齡＞60 歲、有危險(xiǎn)因素及服藥的人群中＞1.0 m/s。

對絕對均值誤差進(jìn)行Logistic 多元線性回歸相關(guān)分析，年齡、收縮壓和舒張壓進(jìn)入方程，結(jié)果顯示，隨著年齡、收縮壓的增高，絕對誤差增大，而舒張壓與絕對誤差的關(guān)系相反，具體見表3。

表3 測試集絕對誤差的影響因素的Logistic 多元線性回歸模型

2.5 智能終端手表與動(dòng)脈硬化檢測儀所測cfPWV Logistic 多元線性回歸結(jié)果（表4、5）

表4 智能終端手表測cfPWV 的Logistic 多元線性回歸結(jié)果（測試集n=90）

以智能終端手表和動(dòng)脈硬化檢測儀測定的cfPWV 為因變量，對上述有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的變量進(jìn)行Logistic 多元線性回歸分析，結(jié)果顯示：年齡及收縮壓是cfPWV 增高的獨(dú)立危險(xiǎn)因素（P均＜0.05）。

表5 動(dòng)脈硬化檢測儀測試cfPWV 的Logistic 多元線性回歸結(jié)果（測試集n=90）

2.6 影響cfPWV＞10 m/s 的多因素Logistic 回歸分析（圖3、4）

圖3 以智能終端手表估測cfPWV（m/s）為因變量

根據(jù)智能終端手表估測和動(dòng)脈硬化檢測儀測定cfPWV，以cfPWV=10 m/s 為界值，將其轉(zhuǎn)換為二分類變量，即將人群分為有動(dòng)脈硬化和無動(dòng)脈硬化，以cfPWV＞10 m/s 作為動(dòng)脈硬化標(biāo)準(zhǔn)，采用Logistic 回歸建立多因素回歸模型，分析動(dòng)脈硬化的影響因素森林圖顯示：無論是以動(dòng)脈硬化檢測儀的測量結(jié)果作為因變量還是以智能終端手表的測量結(jié)果作為因變量，兩種測量方法高度一致。

圖4 以動(dòng)脈硬化檢測儀金標(biāo)準(zhǔn)測定的cfPWV（m/s）為因變量

3 討論

心血管疾病是我國居民疾病負(fù)擔(dān)和死亡的首要原因，其中動(dòng)脈粥樣硬化性心血管疾?。ˋSCVD）是心血管疾病的最主要構(gòu)成成分[5]。風(fēng)險(xiǎn)評估可識別高危個(gè)體,是進(jìn)行ASCVD 一級預(yù)防的基礎(chǔ)。中國人的ASCVD 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測（China-PAR）模型，是在對2.13萬人跟蹤隨防12.3年的基礎(chǔ)上構(gòu)建的，并且在8.33萬人中進(jìn)行了外部驗(yàn)證，結(jié)果表明，China-PAR 模型對于中國人ASCVD 的發(fā)生具有良好的預(yù)測能力[6]。美國心臟病學(xué)會(huì)/美國心臟協(xié)會(huì)（ACC/AHA）血脂指南發(fā)布的匯總隊(duì)列公式（PCE）模型，推薦用于美國白人和非洲裔的ASCVD 的風(fēng)險(xiǎn)評估[7]。一項(xiàng)來源1 090 例30～75 歲中國人群研究，所有人群測定cfPWV，將人群cfPWV 分為＜10 m/s 和≥10 m/s 兩組，采用China-PAR 模型和PCE 模型進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)cfPWV 的異?？梢灶A(yù)測10 年ASCVD[8]。

動(dòng)脈硬化是多種心血管疾病（包括冠心病、腦卒中等）的生理以及病理生理的基礎(chǔ)，長期監(jiān)測動(dòng)脈硬化的病變對心血管疾病的防治具有重要意義[9]。有研究表明動(dòng)脈硬化的知曉率僅為1.38%，說明動(dòng)脈硬化還沒有引起普通百姓的重視[7]。目前通過測量cfPWV 可反映彈性大動(dòng)脈的彈性和僵硬度變化，其受血液中血管活性物質(zhì)的影響小，結(jié)果重復(fù)性好，是目前被國內(nèi)外高血壓指南接受和推薦的評價(jià)動(dòng)脈僵硬度的金指標(biāo)[3]。動(dòng)脈僵硬度增高作為一種亞臨床血管病變，與ASCVD 的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)[10]，cfPWV 是評估動(dòng)脈僵硬度的金指標(biāo)[11]。

歐洲心臟病學(xué)會(huì)推薦以cfPWV＞10 m/s 作為評估高血壓發(fā)生動(dòng)脈功能性改變的界定閾值[1]，是高血壓合并血管損害的分界點(diǎn)，cfPWV 數(shù)值的增高可反映未來發(fā)生心血管疾?。òü谛牟　⒛X卒中等）的風(fēng)險(xiǎn)，因此目前高血壓指南將cfPWV 作為評價(jià)血管彈性功能異常的一個(gè)指標(biāo)，是高血壓產(chǎn)生動(dòng)脈硬化的一個(gè)早期評價(jià)指標(biāo)。然而目前動(dòng)脈彈性測定設(shè)備作為醫(yī)療器械僅用于醫(yī)療場所，由于設(shè)備體積較大、價(jià)格昂貴、操作相對復(fù)雜，不適用于家庭或者個(gè)人的日常檢測，對于慢性疾病的長期監(jiān)測以及非疾病人群的檢測存在困難。

在數(shù)字化時(shí)代,利用可移動(dòng)穿戴設(shè)備開展主動(dòng)健康的模式已開啟并勢在必行，華為終端設(shè)計(jì)了通過手表的ECG 和PPG 記錄心動(dòng)周期和脈搏波，在大數(shù)據(jù)計(jì)算下開發(fā)出動(dòng)脈彈性測定的參數(shù)cfPWV，并與北京大學(xué)人民醫(yī)院高血壓研究室協(xié)作，采用法國康普樂脈搏波速度測定系統(tǒng)測量的cfPWV（作為cfPWV 測定的“金標(biāo)準(zhǔn)”）與智能終端手表測定估算cfPWV 進(jìn)行對比和驗(yàn)證，醫(yī)護(hù)人員對受試者進(jìn)行嚴(yán)格、標(biāo)準(zhǔn)操作，并在不同體位進(jìn)行多次測定，將手表測得的cfPWV 數(shù)據(jù)與設(shè)備測得的cfPWV 對比，以cfPWV＞10 m/s 作為異常的切點(diǎn)，驗(yàn)證結(jié)果顯示，如果以cfPWV=10 m/s 為界值，智能終端手表估算的cfPWV 絕對均值誤差為0.87 m/s，Bland-Altman的均值誤差-0.17 m/s，Bland-Altman 的均值標(biāo)準(zhǔn)差1.21 m/s，其特異度91.9%，準(zhǔn)確度91.0%，靈敏度87.5%，宏觀F1 值86.0%。由此看出基于智能穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)及其配套脈搏波傳導(dǎo)速度檢測算法的測試結(jié)果與康普樂設(shè)備檢測結(jié)果高度一致，對動(dòng)脈硬化早期預(yù)測有幫助。動(dòng)脈硬化是一種具有隱匿性、又可以隨著年齡的增長和危險(xiǎn)因素并存不斷進(jìn)展的血管性疾病，目前年輕人隨著城市化進(jìn)程的增加，導(dǎo)致工作緊張、壓力大、活動(dòng)少以及吸煙、高鹽等不良的生活方式的越來越多，動(dòng)脈硬化及高血壓的發(fā)生在年輕人中也在增加，而早期發(fā)現(xiàn)動(dòng)脈硬化及早期干預(yù)會(huì)延緩血管疾病的進(jìn)展。因此在技術(shù)創(chuàng)新及互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代希望能研發(fā)出早期識別動(dòng)脈硬化的技術(shù)、設(shè)備進(jìn)而有助于動(dòng)脈硬化的預(yù)防和治療。在這種背景下，華為智能終端團(tuán)隊(duì)通過ECG+PPG 的估算脈搏波的原理進(jìn)行數(shù)學(xué)算法，依據(jù)國際動(dòng)脈硬化和高血壓指南的標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)出能夠簡易評估血管功能的智能終端手表，通過驗(yàn)證獲得一致性的數(shù)據(jù)。同時(shí)，鑒于測試集的要求，我們的研究例數(shù)較少，沒有涵蓋多一些老年人以及高血壓、糖尿病人群，智能終端手表算法獲得的cfPWV 更適用于年齡＜60歲、收縮壓＜140 mmHg 的人群。因此、目前此手表還不能成為全人群的動(dòng)脈彈性異常的醫(yī)學(xué)臨床診斷工具，佩戴者可以作為分析自己血管健康與否的一種方法，針對存在高血壓及相關(guān)危險(xiǎn)因素人群，使用智能終端手表估算cfPWV 的研究還需進(jìn)一步開展。

智能終端（可穿戴設(shè)備）的手表可通過多功能傳感器采集使用者的心電、脈搏等信息計(jì)算其cfPWV，結(jié)合脈搏波信號特點(diǎn)，測算出與動(dòng)脈功能相關(guān)的指標(biāo)，評估動(dòng)脈硬度，以此滿足使用人群動(dòng)脈功能的日常監(jiān)測，且無需專業(yè)人士和復(fù)雜的操作，相比于專業(yè)的大型設(shè)備，智能終端價(jià)格實(shí)惠，方便實(shí)用，為低成本大規(guī)模人群的動(dòng)脈硬度篩查和檢測提供了一種新的有效途徑。通過智能手表中的計(jì)算功能配合手機(jī)“血管健康研究”的APP，推動(dòng)人群早期識別動(dòng)脈硬度，后臺(tái)數(shù)據(jù)顯示：智能終端手表購買者中，＜45 歲者占66%，45～60 歲者占29%，＞60 歲者僅占5%。提示更多的年輕人佩戴智能終端手表及使用具有“血管健康研究”評估功能的智能終端手表，這將會(huì)促進(jìn)人群動(dòng)脈硬化的檢出。如果出現(xiàn)同齡（年輕人）動(dòng)脈彈性（cfPWV）有增高的趨勢時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提醒檢測人群，便于手表佩戴者主動(dòng)采取生活方式的干預(yù)（例如控制體重和控?zé)煛⒖佧}），通過這種主動(dòng)健康的形式，可以達(dá)到改善和延緩動(dòng)脈硬化的進(jìn)展。

局限性：從可穿戴手表估算獲得cfPWV 較適用于18～60 歲人群的動(dòng)脈功能狀態(tài)的了解，但因智能手表的研究人群有限，在年齡大及血壓高的患者中有一定的誤差。目前作為醫(yī)療診斷工具還存在不適應(yīng)性，對有高血壓或有相關(guān)危險(xiǎn)因素或伴有疾病的患者，當(dāng)使用智能終端手表估算cfPWV 明顯增高時(shí)，建議到醫(yī)院進(jìn)行相應(yīng)的檢查。

作者貢獻(xiàn)：孫寧玲參與研究設(shè)計(jì)、指導(dǎo)試驗(yàn)過程、主寫全文，王魯雁參與研究設(shè)計(jì)和研究測試、修改文章，喜楊、陳源源及王鴻懿參與研究方案的討論及文章的修改，楊帆、崔玉賢參與試驗(yàn)的測試

利益沖突：本項(xiàng)目是北京大學(xué)人民醫(yī)院與華為終端簽約的橫向課題，課題名稱《動(dòng)脈硬化檢測與移動(dòng)終端驗(yàn)證研究》，項(xiàng)目編號：2119000384，測試智能手表由華為終端提供，動(dòng)脈硬化測定儀由北京大學(xué)人民醫(yī)院提供。參與研究的任一個(gè)體均未接受過華為終端給予的個(gè)人的經(jīng)費(fèi)贊助，也沒有為華為終端的智能手表進(jìn)行推廣的相關(guān)講課活動(dòng)和費(fèi)用