可穿戴心率變異性設(shè)備應(yīng)用的研究進展

杜穎 丁亞輝 王程健 孫鵬飛

心率變異性（heart rate variability，HRV）是指逐次心動周期之間的變化差異，用于評估交感和副交感神經(jīng)系統(tǒng)的狀態(tài)及相互作用。HRV 下降是預(yù)測心肌梗死患者死亡的獨立危險因素，在評估心力衰竭、糖尿病、帕金森病及抑郁癥等疾病方面也有一定的臨床應(yīng)用價值。傳統(tǒng)的HRV 測量設(shè)備如動態(tài)心電圖需要佩戴記錄系統(tǒng)和多個電極貼片，舒適度不高。相較之下，可穿戴設(shè)備以較為舒適的方式附著在人體表面，在移動性、便攜性、易用性和對環(huán)境的適應(yīng)性方面優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)備，近幾年已成為HRV的研究熱點之一[1]，本文對可穿戴HRV 設(shè)備的類型、應(yīng)用場景、存在的問題及未來展望進行綜述。

1 可穿戴HRV 設(shè)備的類型

1.1 智能貼片 智能貼片是一種可穿戴傳感器，其通過粘合劑貼在患者皮膚上，通過泡沫部件和嵌入式電子組件來監(jiān)測脈搏等生理指標(biāo)。與動態(tài)心電圖相比，患者無需佩戴額外的記錄裝置，舒適性和便攜性大幅提升。Lee 等[2]開發(fā)的智能貼片系統(tǒng)通過3個電極貼片測量心電圖，配合內(nèi)置算法，R 峰的檢測靈敏度為99.29%、陽性預(yù)測值為100.00%，誤差為0.71%，運動噪聲也較傳統(tǒng)動態(tài)心電圖更少，對HRV的評估效果與常規(guī)心電圖類似。

Zio 貼片是一款可連續(xù)監(jiān)測14 d 動態(tài)心電圖的單導(dǎo)聯(lián)粘貼式監(jiān)測器，能讓患者在日常生活中幾乎不受干擾地記錄心電圖[3]。Pang 等[4]應(yīng)用Zio 貼片監(jiān)測HRV 證實其準(zhǔn)確性與動態(tài)心電圖相當(dāng)。由于其偽影時間少，舒適度高，皮膚刺激小，在兒童監(jiān)測對象中，Zio 貼片被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)心電圖的可靠替代物[5]。其他貼片裝置如Lief 智能貼片、MultiSenseTM可穿戴貼片、高分辨率多日動態(tài)心電圖貼片等均可測量HRV，但目前缺少準(zhǔn)確性的驗證研究[6-8]。

1.2 基于光學(xué)體積描記術(shù)（photoplethysmogram，PPG）的可穿戴HRV 設(shè)備 PPG 是一種低成本非侵入性的光學(xué)技術(shù)，由附著皮膚放置的光源和光電探測器組成，通過測量血液的微循環(huán)變化實現(xiàn)心跳檢測[9]。目前，接觸式PPG 和遠(yuǎn)程PPG 是獲取PPG 信號的兩種可行方式[10]。研究發(fā)現(xiàn)PPG 衍生的HRV與心電圖測量的HRV 具有高度相關(guān)性[11]。

1.2.1 接觸式PPG（contact photoplethysmogram，CPPG）設(shè)備 現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)CPPG 設(shè)備通過脈搏測量脈率變異性（pulse rate variability，PRV）。該設(shè)備傳感器上的發(fā)光二極管發(fā)射特定顏色和波長的光到人體特定部位的表皮皮膚，然后根據(jù)光敏傳感器接收相應(yīng)的反射光或入射光達到檢測脈搏信號的目的[12]。Nuuttila 等[13]比較了41 例同時佩戴腕帶式CPPG 設(shè)備和Polar H10 心率傳感器的受試者的HRV 數(shù)據(jù)，結(jié)果證明腕帶式CPPG 設(shè)備的精確度足以在健康人群中長期監(jiān)測PRV。但也有研究認(rèn)為，腕帶容易受到運動的影響，PPG 信號不佳導(dǎo)致PRV結(jié)果不理想[14]。因此很多研究者嘗試用多種方法來改善PRV 結(jié)果。Polak 等[15]發(fā)現(xiàn)基于離散小波變換及其逆變換結(jié)合振幅解調(diào)，可提高PPG 信號質(zhì)量。Lin 等[16]認(rèn)為正向峰值檢測也可在應(yīng)用PPG 法估計HRV 時減小分析誤差。需要說明的是，雖然有研究證實PRV 可用作HRV 的替代指標(biāo)[17-18]，但PRV 替代HRV 的局限性不可忽視（見表1）[12-13，19-22]。

表1 PRV 替代HRV 相關(guān)研究及局限性

除了腕帶，Liu 等[23]發(fā)現(xiàn)智能手機也能作為CPPG設(shè)備測量HRV。智能手機的工作原理是通過內(nèi)置攝像頭拍攝指尖視頻再將其轉(zhuǎn)換為脈沖波形用于檢測心率。但實驗室環(huán)境之外，使用智能手機測量心率時，輕微的手部動作或環(huán)境光變化均易影響PPG信號。Neshitov 等[24]使用連續(xù)小波變換算法來識別破壞的PPG 信號，在HRV 評估方面表現(xiàn)出良好的準(zhǔn)確性。Nardelli 等[25]比較了手腕和手指兩個身體部位獲得的PPG 和PRV 信號質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)從手指獲得的PRV 動態(tài)與HRV 動態(tài)類似，但智能手機獲取的PRV 代替HRV 的測量仍存在爭議，脈搏傳導(dǎo)期間PRV 易受到心率、血壓變化和動脈順應(yīng)性的嚴(yán)重影響，導(dǎo)致PRV 的間隔期更長，這可能高估測量期內(nèi)的全程相鄰NN 間期之差的均方根（root mean square successive difference，RMSSD）的值[21，26]。

1.2.2 遠(yuǎn)程PPG（remote photoplethysmogram，RPPG）設(shè)備 在新生兒重癥監(jiān)護病房中使用接觸式傳感器或心電圖監(jiān)測心率時，皮膚脆弱的早產(chǎn)兒易受傷和感染，而非接觸式心電圖監(jiān)測是很好的選擇[22]。RPPG 設(shè)備測量HRV 的原理是使用攝像頭捕捉與血液容量周期性改變同步的皮膚吸收光量的變化，通過分析視頻得到RPPG 信號，用于測量HRV[27]。該技術(shù)現(xiàn)已在成人檢測對象中被證明是一種確定心率的有效方法，但環(huán)境光水平、身體運動和攝像頭參數(shù)等因素會影響RPPG 獲得的HRV 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[28-29]。不同于心率等簡單參數(shù)的測量，HRV 分析需要質(zhì)量更高的RPPG 信號，Kuang 等[30]提出對人臉視頻時空建模，設(shè)計高效的時空注意網(wǎng)絡(luò)ESA-rPPGNet 來恢復(fù)高質(zhì)量的RPPG 信號，該方法能準(zhǔn)確定位每一次心跳的峰值，提高HRV 分析的準(zhǔn)確性，降低網(wǎng)絡(luò)的時間復(fù)雜度。

1.3 基于紡織品的可穿戴HRV 設(shè)備 紡織品以其柔韌、拉伸和耐洗等特性，其應(yīng)用日益展現(xiàn)在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域。紡織品由智能心電服裝、紡織電極和微型心電硬件3 部分組成，其中紡織電極通過針織、編織和刺繡等方式附著在日常服裝中。紡織電極可分為金屬電極、電子電極和導(dǎo)電聚合物電極3種[31]。金屬電極利用心電耦合原理實現(xiàn)非接觸式心電采集，利用壓力提高信號質(zhì)量，但易引起患者不適。Lee 等[32]提出一種由鎳/銅制成的柔性電極用于提高舒適性。與常規(guī)的銀/氯化銀電極相比，該柔性電極在站立時的準(zhǔn)確性達到100%。隨著行走速度加快，柔性電極的準(zhǔn)確性會有所下降，但誤差仍可接受。高阻高介電材料是動態(tài)環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定心電信號的基礎(chǔ)。Kang 等[33]研究表明，使用直徑為1～3 cm的二氧化硅涂層作為介電層涂于金屬電極和皮膚之間，可降低動態(tài)心電圖測量中的信號衰減、電磁干擾和運動偽影等影響，實現(xiàn)更準(zhǔn)確的測量。Goyal等[34]研究發(fā)現(xiàn)鈦氧化物的相對介電常數(shù)比不銹鋼高，電容耦合能力更強，因此鈦電極的信號質(zhì)量較不銹鋼電極更好。

Teferra 等[35]研究發(fā)現(xiàn)紡織品和動態(tài)心電圖監(jiān)測器在信號質(zhì)量上并無顯著差異，并證實較大面積的紡織電極、“濕”電極、置于左右前腋點的電極可獲得更好的信號質(zhì)量。Ozturk 等[36]使用銀/氯化銀“濕”電極作為金標(biāo)準(zhǔn)，研究了采用浸涂和噴涂技術(shù)制造的石墨烯織物記錄的心電圖（持續(xù)時間為15 s）與該金標(biāo)準(zhǔn)之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，使用石墨烯織物記錄的心電圖獲得了高達約96%和約98%的相關(guān)性。此外，HRV 的時域檢測指標(biāo)之一RMSSD 的測量值在預(yù)期范圍內(nèi)（18～74 ms），證實了紡織品測量HRV 的可行性。

導(dǎo)電聚合物因其易制造且靈活性和耐久性均較好而被認(rèn)為是有前景的可穿戴醫(yī)療保健應(yīng)用。然而，紡織品通常會受到汗液等外部環(huán)境的影響。聚（3，4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）[poly（3，4-ethylenedioxythiophene）:poly（styrenesulfonate），PEDOT:PSS]因具有離子導(dǎo)體和電子導(dǎo)體的雙重功能可較好應(yīng)用于紡織品電極[37]。Ankhili 等[38]測試了洗滌次數(shù)與心電信號的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)PEDOT:PSS 紡織電極經(jīng)過50 個周期的洗滌后采集到的心電信號尚可，因此認(rèn)為PEDOT:PSS 紡織電極可植入服裝監(jiān)測心電數(shù)據(jù)。

2 可穿戴HRV 設(shè)備的應(yīng)用場景

2.1 心血管健康評估 可穿戴HRV 設(shè)備已用于心血管健康評估中，如篩選心房顫動患者和監(jiān)測孕期心血管容量等。Ramesh 等[39]結(jié)合一維深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與HRV 衍生特征將來自心電圖和PPG 傳感器的30 s 心率分為正常竇性心律或心房顫動心律，該模型在心電圖數(shù)據(jù)集和PPG 信號數(shù)據(jù)集上獲得了相似的準(zhǔn)確度、靈敏度和特異度。這項研究在高效篩選心房顫動患者的同時也證實了PRV 替代HRV的可靠性，為出行不方便的群體如孕婦提供了居家監(jiān)測心血管健康的方法。18 例健康女性參加了一項HRV 前瞻性隊列研究，她們在受孕前、懷孕期間和產(chǎn)后分別佩戴一條WHOOP 帶。結(jié)果表明，運動對孕期心血管健康有益，但建議進行阻力訓(xùn)練和晚期運動，并需關(guān)注運動期間的最大心率[40]。

2.2 心理評估 HRV 是評價焦慮、抑郁和慢性壓力有用的生理指標(biāo)之一，可穿戴HRV 設(shè)備現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于評估抑郁障礙患者和雙向情感障礙患者。抑郁癥可能會對患者的日常生活和工作產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此判斷抑郁癥患者適合重新開始工作的時間非常重要。Shinba 等[41]通過可穿戴心電圖設(shè)備獲得的HRV 評估重度抑郁障礙患者在病假后重返工作的可行性，用于區(qū)分成功返回和不成功返回的靈敏度高達95.8%。雙向情感障礙患者易于出現(xiàn)自殺傾向和罹患缺血性心臟病，因此需要高度重視。Ortiz等[42]分析了53 例處于不同疾病階段的雙相情感障礙患者的疾病負(fù)擔(dān)（包括疾病持續(xù)時間、抑郁發(fā)作次數(shù)、最嚴(yán)重的躁狂/輕躁狂發(fā)作的持續(xù)時間以及自殺家族史）與HRV 之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，疾病負(fù)擔(dān)高的雙相情感障礙患者HRV 降低，心血管疾病和死亡的風(fēng)險升高。

2.3 睡眠監(jiān)測 臨床上多導(dǎo)睡眠圖（polysomnography，PSG）被認(rèn)為是檢測睡眠疾病和提供客觀睡眠質(zhì)量參考的“金標(biāo)準(zhǔn)”，目前單導(dǎo)聯(lián)心電圖和PPG 信號簡化的PSG 也已用來評估主觀睡眠質(zhì)量。Li 等[43]開發(fā)了基于可穿戴HRV 設(shè)備的睡眠質(zhì)量評估策略，與主觀睡眠問卷得分相比，測試的準(zhǔn)確率高達0.786。其所提出的睡眠評估模型只需一個通道心動周期信號，容易應(yīng)用到便攜設(shè)備監(jiān)測睡眠。Chalmers等[44]使用一次性銀/氯化銀電極采集的3 導(dǎo)聯(lián)心電圖進一步量化了HRV 參數(shù)與睡眠質(zhì)量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)壓力期間的HRV 參數(shù)中甚低頻與3 個負(fù)面睡眠指數(shù)（睡眠質(zhì)量、日間功能障礙和總體睡眠評分）呈負(fù)相關(guān)。

2.4 炎癥識別 HRV 具有早期識別呼吸道炎癥及全身炎癥發(fā)作的潛力。186 例新型冠狀病毒感染患者參與了一項可穿戴HRV 設(shè)備的研究，發(fā)現(xiàn)在癥狀發(fā)作前2 天HRV 特征預(yù)測感染的準(zhǔn)確率為（83.34±1.68）%，精確度、召回率和F1 值分別為0.91、0.88和0.89[45]。Koeneman 等[46]在全身性炎癥人體模型中使用可穿戴HRV 設(shè)備，發(fā)現(xiàn)HRV 特征在流感樣癥狀和生命體改變之前開始升高。這表明HRV 可作為早期檢測炎癥反應(yīng)的非侵入性方法。

3 可穿戴HRV 設(shè)備存在的問題與展望

可穿戴HRV 設(shè)備與傳統(tǒng)動態(tài)心電圖相比，具有穿戴簡單、體積靈巧、舒適度高等優(yōu)點，尤其是基于PPG 技術(shù)和紡織品技術(shù)的非接觸式可穿戴HRV設(shè)備解決了皮膚刺激和損傷問題，但這類設(shè)備仍存在一些問題。如雖然可穿戴HRV 設(shè)備表現(xiàn)出與動態(tài)心電圖一致的準(zhǔn)確性，但相關(guān)研究較少且樣本量小，還需要大樣本數(shù)據(jù)支持。部分可穿戴設(shè)備仍處于體外研究階段，有效性和安全性尚未在人群中驗證，還需進一步的研究。

目前可穿戴HRV 設(shè)備已應(yīng)用于多學(xué)科領(lǐng)域，在疾病診斷、病情及預(yù)后評估方面有著重要的作用?？纱┐魇叫穆赊D(zhuǎn)復(fù)除顫器的研發(fā)為植入可穿戴HRV 設(shè)備的應(yīng)用提供了可能，未來可致力于相關(guān)研究。此外未來可穿戴HRV 設(shè)備在提高信號質(zhì)量和后續(xù)處理分析上可更多引入人工智能技術(shù)，提高設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境中的使用效能，擴大應(yīng)用范圍。