基于心率變異性的人體衰老程度評估理論之研究*

張昱昊，姚宇恒，黃磊，鄭馨怡

（皖南醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

人體衰老是指人體對環(huán)境的適應(yīng)能力，包括生理適應(yīng)能力和心理適應(yīng)能力不斷降低、逐漸走向死亡的現(xiàn)象，是人體隨著生命的不斷延長所發(fā)生的一個正常而又復(fù)雜的必然過程。意味著人體隨著年齡的增加，機(jī)體逐漸出現(xiàn)退行性的變化，比如機(jī)體免疫力逐漸下降，導(dǎo)致眾多老年疾病的發(fā)病率逐漸增加。為了掌握這種變化，知曉自身衰老程度，并采用科學(xué)的方法延緩衰老，減少老年?。ǜ哐獕?、動脈粥樣硬化、冠心病等）的發(fā)生，幫助延長機(jī)體壽命，對人體進(jìn)行衰老程度的評估研究具有重要的意義。本文擬對前人基于心率變異性（heart rate variability,HRV）的人體衰老程度評估研究成果進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)問題，提出看法，以期對后續(xù)基于HRV 的人體衰老程度評估研究產(chǎn)生指導(dǎo)意義。

1 研究概況

目前對于人體衰老程度評估方法有：實(shí)足年齡和生物學(xué)年齡、衰弱指數(shù)、評估量表等。衰老評估的常用標(biāo)志物有：炎癥因子、激素、糖化血紅蛋白（glycosylated hemoglobin,Hb）A1c、氧化指標(biāo)（如晚期糖基化終產(chǎn)物、蛋白質(zhì)羰基化合物、氧化脂蛋白和抗氧化劑缺乏等）、HRV 等［1］。

光電容積脈搏波（PPG）描記法是一種非侵入性的光電檢測技術(shù)［2］，他通過在手指和耳垂等身體表面放置微型光電傳感裝置，即可采集到有用的生化信號，簡單、方便［3］。

HRV 指的是持續(xù)正常（竇性）心動周期之間在時間維度上的細(xì)小差別，是自主神經(jīng)系統(tǒng)（ANS）調(diào)節(jié)最有前途的指標(biāo)之一。多項(xiàng)研究表明，不同年齡段的健康人HRV 有著較為明顯的差異［4］，隨著年齡的增長，HRV 逐漸降低。說明，HRV 可能是人體年齡的潛在標(biāo)記物，因此HRV 是評估人體衰老程度的重要內(nèi)容。

PPG 信號可以檢測到皮下血管組織中的血液容積變化，進(jìn)而反映心率、血氧等多種生理標(biāo)準(zhǔn)。PPG 采集到的心率與心電圖的結(jié)果是一致的，峰峰值之間的間隔也非常相近，即可以用PPG 信號分析HRV，進(jìn)而評估人體衰老程度［3］。

2 研究過程

2.1 PPG 信號的采集

當(dāng)光線照射到人體皮膚上，一部分光線會通過折射或反射的方式傳遞出去，而另外一部分則會被人體皮膚、肌肉以及血液所吸收。由于心臟不斷發(fā)生搏動，導(dǎo)致血管內(nèi)的血液量也隨之發(fā)生變化，因而，血管內(nèi)血液對光線的吸收量也會隨著心臟的不斷搏動而發(fā)生變化。在此原理的基礎(chǔ)上，借助光電技術(shù)手段提取出的波形信號即為PPG。鑒于手機(jī)攝像頭每秒可以采集31 幀的圖像，雷恒波等［5］將實(shí)驗(yàn)者的手指覆蓋于手機(jī)攝像頭上獲取一段視頻，隨后對拍攝的視頻進(jìn)行分幀處理，通過對圖像中心區(qū)域進(jìn)行截取分析以此減少外界環(huán)境所造成的干擾，接著根據(jù)每一幀圖像里面的像素灰度值變化特點(diǎn)繪制PPG 曲線時序圖，繼而得到PPG 信號。何智煜［6］則通過手機(jī)攝像頭采集受試者指尖的圖像，截取每幀圖像內(nèi)的一定比例的矩形塊，通過打開手機(jī)背面的LED 燈進(jìn)行補(bǔ)光處理來降低外部環(huán)境的影響，接著進(jìn)行一系列的處理得到PPG 信號。王楠等［7］運(yùn)用盲源分離的方法從實(shí)驗(yàn)視頻中提取出PPG。信號采集過程中難免會有外界環(huán)境因素的干擾，截取中心區(qū)域以及補(bǔ)光處理都是比較好的降低環(huán)境干擾的方法。

2.2 PPG 信號的處理

眾所周知，人體生理體征信號十分微弱，導(dǎo)致利用手機(jī)攝像頭獲取的脈搏波信號是很容易受到噪聲的干擾，進(jìn)而使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度降低，影響實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程，因此信號的處理尤為關(guān)鍵。噪聲的來源主要有兩種：高頻噪聲和低頻基線漂移。高頻噪聲的產(chǎn)生主要有兩個方面，一是信號采集過程中周圍環(huán)境的干擾，二是采集過程中自身隨機(jī)產(chǎn)生的噪聲。低頻基線漂移則由被測者自身身體的運(yùn)動和自主呼吸作用所產(chǎn)生。目前，對于脈搏波信號的處理方法比較多，例如：自適應(yīng)濾波器法、小波變換法、多項(xiàng)式差值法以及經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法。自適應(yīng)濾波器對信號處理速度較慢且濾波頻率無法實(shí)現(xiàn)自動跟蹤，容易影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)度［8］；小波變換可用于脈搏波中基線漂移的去除，但其處理信號依賴于小波基的選取，一旦小波基選擇不妥，則會對影響整個實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，容錯率較低［9］；多項(xiàng)式差值中“基準(zhǔn)點(diǎn)”的找取至關(guān)重要，一旦“基準(zhǔn)點(diǎn)”找取不當(dāng)，則大概率導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，對操作者要求較高；而經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（empirical mode decomposition,EMD）法可以根據(jù)信號其本身的局部特性進(jìn)行自適應(yīng)分解，具備極佳的信噪比，與上述方法相異的是無須預(yù)先選取設(shè)定任何“基準(zhǔn)點(diǎn)”或基函數(shù)，仍可實(shí)現(xiàn)信號不同頻率成分的分解，同時對于操作者的要求較低，具有較高的容錯率?；诖朔椒ǖ膬?yōu)越性，雷恒波等［10］得以成功清除PPG 信號中的低頻基線以及高頻噪聲。與他們相異的是，何智煜［6］設(shè)計(jì)了31 階長度的有限長沖擊響應(yīng)（finite impulse response,FIR）低通濾波器來去除實(shí)驗(yàn)中的毛刺噪聲，隨后采用直線型的形態(tài)學(xué)濾波器除去極限漂移噪聲，結(jié)果顯示脈搏波信號的噪聲被去除同時脈搏波信號的波形特征未受影響。陳真誠等［11］采用平均濾波器法濾除脈搏波中的高頻噪聲取得了較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。不同的處理方法有其優(yōu)越性的同時但又不乏其局限性，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取契合自身實(shí)驗(yàn)的信號處理方法至關(guān)重要。

2.3 PPG 計(jì)算HRV

誠然，HRV 是一項(xiàng)反映心臟自主神經(jīng)張力以及平衡的敏感指標(biāo)，可以對自主神經(jīng)功能進(jìn)行定量評價［12］。若自主神經(jīng)出現(xiàn)功能紊亂，亦可對其紊亂程度所帶來的危險(xiǎn)性給出相應(yīng)的分層評析。除此之外也可以評價某些藥物對自主神經(jīng)功能的影響。為取得精確的HRV 參數(shù)，常直接采用高精度的專業(yè)儀器，但礙于儀器價格之昂貴及操作過程之繁瑣，使得專業(yè)的測量方式難以普及和推廣。這時可以考慮先獲取PPG 信號，接著利用處理后PPG 信號計(jì)算出HRV 參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)HRV 參數(shù)的間接性獲取。此外，脈搏信號在幅值、噪聲干擾及信號質(zhì)量等方面相較于心電信號都有著一定的優(yōu)勢。同時隨著光學(xué)傳感器的不斷發(fā)展，基于脈搏信號與心電信號產(chǎn)生原因相近，使得利用PPG 分析HRV 成為可能。HART［13］通過對比分析被測者兩側(cè)脈搏信號與心電信號，認(rèn)為脈率變異性是可以替代HRV 的。王步青等［14］研究發(fā)現(xiàn)，利用心電圖獲取的HRV 結(jié)果與運(yùn)用三種不同特征點(diǎn)識別算法處理PPG 數(shù)據(jù)所獲得的HRV 結(jié)果幾乎是一致性。同時指出被測者本身的呼吸運(yùn)動是造成計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生差異的一個重要因素。PINHEIRO等［15］研究了三種不同背景下使用PRV 特征作為HRV 指標(biāo)的代替物的假設(shè)。結(jié)果顯示，PRV 可作為健康受試者HRV 分析的替代方案，在時間和頻域特征上具有顯著相關(guān)性。而在運(yùn)動過后及心血管疾?。–VD）受試者中，時間和頻域特征相關(guān)性欠佳。李靜等［16］研究發(fā)現(xiàn)，借助PPG 描記法得到的短時HRV 與心電圖法得到的HRV 幾乎是一致的。徐禮勝等［17］研究表明脈率變異性與HRV并不是完全一致的，不能完全相互替代。其中健康青少年組的全部參數(shù)［總體標(biāo)準(zhǔn)差（SDNN）、相鄰RR 間期差值的均方根（RMSSD）、相鄰RR間期差值＞50 ms 的百分比（PNN50）、高頻功率（HF）等］均具有一致性，而在老年人組以及心血管病人組中只有其中的一部分參數(shù)是一致的。這些研究表明PPG 描記法計(jì)算HRV 具有一定的局限性，即脈率變異性（PRV）和HRV 在一定程度上可以相互替代分析，此外，對于受試者的選擇也更具指向性。

總體而言，伴隨著智能手機(jī)的發(fā)展，其數(shù)據(jù)存儲、計(jì)算與分析能力不斷提高，使得借助手機(jī)攝像頭獲取PPG 信號這一方法成為現(xiàn)實(shí)。由于人體生理特征信號十分微弱，因此信號采集時應(yīng)采取不同的方法減少外界環(huán)境因素的干擾，接著通過對PPG 信號的處理變換，則可將其用于HRV 的分析。盡管具有一定的局限性，但為未來HRV 的計(jì)算領(lǐng)域增添了更多的可能性與選擇性。

3 總結(jié)與思考

3.1 衰老評估指標(biāo)與衰老的生物學(xué)變化關(guān)聯(lián)不緊密

相關(guān)研究表明，衰老度有三種計(jì)算方法，一是計(jì)算日歷年齡與生物年齡的差值；二是計(jì)算日歷年齡與生物年齡的比值，以百分比表示；三是構(gòu)建人體的心理-生理-社會三維衰老度指標(biāo)和量表，通過各方面指標(biāo)表示人體衰老程度［18］。邱勇玉等［19］研究發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增大，受試者HRV的各項(xiàng)指標(biāo)均逐漸降低，副交感神經(jīng)與交感神經(jīng)的張力均降低。健康女性的副交感神經(jīng)張力是高于男性的，但交感神經(jīng)張力卻低于男性。提示在臨床上分析HRV 的各項(xiàng)指標(biāo)時應(yīng)考慮性別與年齡因素對HRV 的影響，以便得出正確的結(jié)論。張劍等［20］研究發(fā)現(xiàn)，采集數(shù)據(jù)中隨著年齡指標(biāo)的不斷上升，HRV 異常程度也在不斷提升。因而年齡與HRV 異常率之間有著高度的相關(guān)性。吳萌等［4］采集了741 例不同年齡段受試者的短時HRV 數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增長，受試者的疲勞度逐漸增加，自主神經(jīng)活性及功能逐漸降低。這些研究一方面提示分析HRV 時多種因素應(yīng)同時考慮，另一方面表明HRV 各項(xiàng)指標(biāo)會隨著年齡的增加而不斷降低?？偠灾梭w的衰老由多種因素共同影響，在這些影響因素的作用下，可造成日歷年齡與生物年齡差異過大。多方面研究表明，年齡增長的同時，HRV 的各項(xiàng)指標(biāo)有明顯的下降，因此HRV 作為反映心臟副交感神經(jīng)與交感神經(jīng)活動的重要指標(biāo)［21］，可作為一種潛在的生物標(biāo)記物，對人體的衰老程度進(jìn)行評估甚至預(yù)測。但人體衰老的過程是復(fù)雜的，也是多因素引起的綜合性過程。如果能盡早得對衰老進(jìn)行準(zhǔn)確的評估，將可避免無效的預(yù)防和錯誤的預(yù)防指導(dǎo)，并且也能為抗衰老綜合干預(yù)理論方法提供指導(dǎo)依據(jù)。而目前的衰老評估指標(biāo)與衰老的生物學(xué)變化關(guān)聯(lián)性是不緊密的，雖然有其合理的部分，但不能詳細(xì)的辨別出處于衰弱前期的老年人。因此，需要找尋更敏感并且實(shí)用可靠的生物標(biāo)志物。

3.2 HRV 分析考慮因素不充分

截止至今，由于技術(shù)水平受限，對于衰老機(jī)制尚未有一個明確的定論，存在數(shù)十種學(xué)說，如端粒學(xué)說、免疫學(xué)說、細(xì)胞凋亡學(xué)說等［22］，但尚無任何一門學(xué)說能夠系統(tǒng)性闡釋衰老機(jī)制［23］。總而言之，衰老的發(fā)生機(jī)制與原因較為復(fù)雜，人體的衰老由多種因素共同影響，在這些影響因素的作用下，可造成日歷年齡與生物年齡差異過大。另外，生物年齡受到多方面因素的影響，比如先天的遺傳或后天的生活環(huán)境、膳食營養(yǎng)及生活方式等，因此個體的衰老速率也有差異。因而在HRV 分析過程中，要充分考慮到生理、心理、社會、臨床病理等這些方面的因素，加入到衰老評估模型中。

3.3 信號采集方式及測量設(shè)備有待改進(jìn)提高

目前，運(yùn)用專業(yè)的測量設(shè)備進(jìn)行人體體征測量是主流方式，這種方式盡管可以得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但是礙于成本價格的昂貴，難以推廣和普及［24］。因此，尋求一種簡便的測量方法代替繁瑣的專業(yè)設(shè)備測量至關(guān)重要。VAN ANDEL 等［25］將他們自制的光電傳感系統(tǒng)集成在一個腕帶上，被測者將其戴在手腕處即可進(jìn)行PPG 信號采集；GILOTRA 等［26］則設(shè)法將光電傳感器套在手指上采集PPG 信號。但這些方法在某些特殊的場合下并不適用，例如肢體抖動以及皮膚有傷口的患者。由于人體生理特征信號非常微弱，因此信號采集時受外界環(huán)境因素的干擾較大。另外，通過對PPG 信號的處理變換以用于HRV 的分析，也具有一定的局限性。因此，信號采集方式仍有待改進(jìn)，測量設(shè)備仍有待提高。

4 研究展望

4.1 需找尋更敏感且實(shí)用可靠的生物標(biāo)志物

鑒于人體衰老的復(fù)雜過程，需找尋到敏感并且實(shí)用可靠的生物標(biāo)志物，使得衰老評估指標(biāo)與衰老的生物學(xué)變化關(guān)聯(lián)性更加緊密。更加詳細(xì)的辨別出處于衰弱前期的老年人，即盡可能早地對衰老進(jìn)行準(zhǔn)確的評估，這將有助于避免無效或錯誤的預(yù)防指導(dǎo)，并且也能為抗衰老綜合干預(yù)理論方法提供指導(dǎo)依據(jù)。

4.2 充分考慮多種因素完善衰老評估模型

由于人體的衰老是由多種因素共同影響的，因此在HRV 分析過程中，要充分考慮到生理、心理、社會、臨床病理等方面的因素，加入到衰老評估模型之中，從而更加準(zhǔn)確地評估衰老程度，才能得出更科學(xué)、合理、有效的抗衰老干預(yù)依據(jù)。

4.3 改進(jìn)信號采集方式，運(yùn)用手機(jī)攝像頭提高檢測效率與便捷度

隨著科技水平不斷提升、移動醫(yī)療的逐漸興起以及智能手機(jī)數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理能力大幅提升，智能手機(jī)普及率逐年上升，智能手機(jī)的應(yīng)用范圍也越來越廣闊。專業(yè)設(shè)備測量PPG 信號存在著成本昂貴、難以普及等劣勢，但借助手機(jī)攝像頭可實(shí)現(xiàn)對人體衰老程度的評估，且具有以下優(yōu)勢：第一，在當(dāng)今時代大背景下，手機(jī)性能不斷優(yōu)化提升，其數(shù)據(jù)接收、運(yùn)算和存儲能力有了質(zhì)的飛躍，手機(jī)攝像頭像素也不斷提升，成為使用最為頻繁的傳感器，將有機(jī)會代替越來越多的專業(yè)設(shè)備，具有廣闊的應(yīng)用前景；第二，對比專業(yè)的檢測設(shè)備，智能手機(jī)操作簡便，易于集成，且成本較低，輕便易攜，易于推廣，且不會對受試者造成任何傷害；第三，在過去大多數(shù)情況下只能在醫(yī)院等專業(yè)場所進(jìn)行人體生理體征的精確檢測，易受高頻電磁場的干擾，且結(jié)果報(bào)告獲取較慢，對受試者來說不夠便捷，而運(yùn)用手機(jī)攝像頭獲取信號將不再拘泥于特定場所，在大多數(shù)場所都可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，可不受高頻電磁場干擾，對于PPG 信號可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、定量、無創(chuàng)非接觸式獲取，一定程度上節(jié)省了受試者的時間，提高了檢測的速度和效率。

但通過手機(jī)攝像頭測量基于HRV 評估人體衰老程度的方法還存在以下問題需要在未來進(jìn)行更加深入的拓展和研究：第一，PPG 信號十分微弱，在進(jìn)行PPG 信號采集的過程中，周圍環(huán)境的光線以及噪聲等因素會對實(shí)驗(yàn)造成干擾，因而在實(shí)驗(yàn)過程中對光線以及聲音的要求比較嚴(yán)苛，目前解決方式為打開手機(jī)背面的LED 燈進(jìn)行補(bǔ)光處理，另外，降噪方法的選擇可遵循不同實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)與要求，選取契合本身實(shí)驗(yàn)的降噪方法即可；第二，不同人體的皮膚、呼吸速率以及脈搏波強(qiáng)弱具有顯著的差異，尋找有效的方法克服差異對實(shí)驗(yàn)的影響非常重要；第三，由于技術(shù)水平受限，人體的衰老程度與HRV 之間的關(guān)系尚未完全明確，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度相比專業(yè)測量設(shè)備較低，信號處理速度相對較慢，因此探究二者之間的具體關(guān)系、如何提高精確度以及處理速度仍需要進(jìn)一步研究。相信隨著科技不斷革新，手機(jī)性能不斷優(yōu)化，這些問題定會迎刃而解，利用手機(jī)攝像頭測量基于HRV 評估人體衰老程度具有一定的實(shí)用價值和較好的前景。