年齡對利用脈搏波估計心率和心率變異性的準確性的影響

鄧新平 鄭定昌 廖尚頔 陳 霏* 李光林* 林宛華*

1(中國科學院深圳先進技術研究院 深圳 518055)

2(考文垂大學健康與生命科學學院智慧醫療研究中心 考文垂 CV1 2HF)3(南方科技大學電子與電氣工程系 深圳 518055)

1 引 言

心率和心率變異性(連續心臟跳動時間間隔的變化)，是自主神經系統的一種無創動態指標，能夠反映心臟自主神經系統、壓力狀態等信息，可進一步應用于心律失常識別、心理狀態評估、疲勞程度評估等，是心血管死亡的獨立危險因素，具有廣泛的臨床應用前景。在臨床上，通過心電相鄰兩個 R 波峰值點的時間差來表示心跳節拍間隔，用以計算瞬時心率和心率變異性，但心電的檢測至少需要 3 個電極。而脈搏波的測量更為簡便，被廣泛應用于手表、手機、耳機、眼鏡等可穿戴設備中——通過光電、壓力等傳感器在外周淺表血管檢測血液容積或血管壓力變化，然后利用各種微型傳感器或新型柔性傳感器獲取數據。一般地，每個心搏在外周血管都有一個對應的脈搏，因此，在可穿戴和遠程醫療領域，脈搏波被廣泛用于替代心電計算心率和心率變異性。

然而，脈搏的節律與心跳的節律是否完全匹配，能否用脈搏波代替心電計算心率/心率變異性頗受爭議。相關學者調研了不同場景下，利用脈搏波估計心率/心率變異性的準確性。有研究認為，脈搏波心率變異性并不總是心電心率變異性的有效替代[1]，特別是在非靜止狀態下或在不健康的受試者中[2-3]。心電 R 波到脈搏波到達外周的時間受許多因素的影響，如心室心肌的機電耦合、射血前期、脈搏波傳輸時間、動脈血壓提高組織血容量的時間等，這些因素本身受自主神經活動、呼吸、血管運動和局部循環調節劑(如 NO)的影響，因此，心電 R 波到脈搏波到達外周的時間是變化的，使得脈率和心率之間存在不一致性[1,4]。脈搏波與心電心率變異性一致性受生理因素(如血流動力學變化、體位變化[5]、心血管疾病、呼吸模式[1]、運動[6]等)、心理因素(如精神壓力[7])、環境因素(如溫度變化[8])以及技術因素(算法[9])的影響。據 Constant等[10]報道，在植入心臟起搏器的受試者中，即使在人工起搏器中設置恒定的心率，且在心電中未觀察到心率變異性，脈搏波卻顯示心率變異性，包括常見的低頻和高頻成分。本課題組先前的研究表明，刺激條件如運動等會降低脈搏波與心電的心率變異性一致性，特別是高頻成分[6]。Logier 等[11]指出，脈搏波與心電圖的心率變異性在短時變化參數上差異較大，如高頻功率。Heathers[12]指出脈搏波與心電的心率變異性高頻功率的關系可能受局部血管變化的影響。也有研究認為，心電的 R 波和脈搏波都反映了心臟的周期性跳動，所以脈率和心率應該相等[13]，脈率變異性可作為心率變異性的替代物[14]。本課題組先前的研究表明[6]，處于靜息狀態的健康年輕受試者，利用脈搏波和心電計算的心率變異性的一致性較好。但在年齡分布更為廣泛的人群中，靜息脈率與心率是否一致尚不清楚。

為進一步探討年齡對利用脈搏波估計心率和心率變異性的準確性的影響，本文招募了100 名靜息狀態下年齡分布較廣泛的健康者，對比分析利用指尖脈搏波和心電計算的心率/心率變異性。

2 方 法

招募 100 名年齡分布較廣泛(20～71 歲)的健康者參加實驗，同步采集靜息指尖脈搏波和心電。經預處理后，檢測心電 R 波峰值點，用連續 R 波峰值點之間的心搏間期序列計算心率/心率變異性，并以此為金標準。檢測脈搏波最大峰值點，用連續峰值點之間的脈搏間期序列計算心率/心率變異性(下文表示為脈率/脈率變異性)。計算心率和脈率誤差的均值±標準差，分析兩者的誤差和誤差絕對值在不同年齡段的組間統計差異，計算心率和脈率的相關系數，并進行線性回歸分析和 Bland Altman 一致性分析。

圖1 實驗分析流程圖Fig. 1 Flow chart of the experimental analysis

2.1 數據采集與預處理

招募 100 名年齡(44±14)歲血壓正常、無心血管疾病史的受試者參加實驗，年齡為 20～71歲，包括 20～29 歲、30～39 歲、40～49 歲、50～59 歲和 60 歲以上 5 個年齡組，每組 20 名受試者。數據采集前，受試者平臥休息 5 min，然后將脈搏波傳感器安裝在受試者右手食指指尖，連續同步記錄 2 min 心電和手指脈搏波，采樣頻率為 2 500 Hz。

首先，使用[0.05,35]Hz 的四階巴特沃斯帶通濾波器對心電信號進行預處理，去除高頻噪聲；其次，進行小波變換消除低頻基線漂移:采用 11 層Daubechies 8 小波分解，將包含低頻漂移分量的第11 層小波分解近似系數替換為 0；再次，根據新系數對信號進行重構，得到去噪后的心電信號；最后，使用巴特沃斯帶通濾波器預處理脈搏波信號，并進行小波變換，帶通頻率設置為[0.05,10]Hz，其他參數與心電信號預處理參數相同。

2.2 心率/心率變異性的計算

2.2.1 特征點的檢測

將心電的 R 波峰值點和脈搏波的峰值點定義為一個心跳周期內的幅度最大值點；心搏/脈搏間期定義為兩個連續峰值點之間的時間間隔。圖 2 為一例典型的峰值點示意圖，包括心搏/脈搏間期和心搏/脈搏間期序列。R 波峰值點的檢測采用 3 次 B 樣條小波變換，R 波峰值點對應于 23尺度下小波變換的模極大值和極小值之間的過零點[15]。脈搏波的峰值點對應于 R 波峰值點之后一段時間內的幅度極大值點。本實驗中所有的峰值點都經人工校驗核對，在分析過程中，去除心律失常信號，保留正常心搏信號。

圖2 心電的 R 波峰值點、心搏間期、脈搏波峰值點和脈搏間期示意圖Fig. 2 Diagram of the ECG R wave peak, cardiac interval, pulse wave peak, and pulse interval

2.2.2 瞬時心率的計算

心率，即每分鐘的心跳次數，計算公式如下:

其中，HR為心率；IBI為心搏間期。

2.2.3 時域心率變異性參數的計算

3 個時域心率變異性的參數為:正常心搏的標準差(Standard Deviation of Normal to Normal R-R Intervals，SDNN)，連續心搏的均方差的平方根(Root Mean Square of Successive Differences between Normal Heartbeats，RMSSD)和連續正常心搏間期的平均真實變化率(Average Real Variability，ARV)，計算公式如下[16]:

其中，N為心搏間期時間序列的總樣本量。

2.2.4 頻域心率變異性參數的計算

首先，對于每個心搏間期時間序列，本實驗采用 3 次樣條插值方法進行重采樣，以獲得均勻的采樣信號，采樣率為 10 Hz。其次，將每個時間序列減去該心搏間期時間序列的平均值，以去除直流分量。再次，本實驗利用 256 點快速傅里葉變換方法計算心搏間期時間序列的功率譜，對心率變異性進行頻域分析，并對相應頻段內功率(ms2)的絕對值進行積分，分別計算出心率變異性在低頻(Low Frequency，LF)和高頻(High Frequency，HF)段的功率成分。最后，計算歸一化低頻功率(normalized Low Frequency，LFn)，即低頻功率除以低頻功率和高頻功率之和再乘以 100%；計算歸一化高頻功率(normalized High Frequency，HFn)，即高頻功率除以低頻功率和高頻功率之和再乘以 100%；計算低頻功率與高頻功率之比(Low to High-frequency Power Ratio，LHR)[16]。表 1 為心率變異性在時域和頻域的參數定義。

表1 心率變異性參數的定義Table 1 Definition of heart rate variability parameters

2.3 誤差的估計和統計分析

計算脈搏波的脈率/脈率變異性與心電圖的心率/心率變異性對應參數的差值，以評估利用脈搏波進行心率/心率變異性估計的誤差，計算差異的均數±標準差。利用非配對的學生t檢驗，分析誤差和誤差的絕對值在不同年齡段的組間統計差異。計算心率和脈率的 Pearson 相關系數，并進行線性回歸分析和 Bland Altman 一致性分析。

3 結 果

表 2 為常見的人口統計學分析，由表 2 可知，隨著年齡的增加，血壓略微升高。

表2 人口統計學分析Table 2 Demographic analysis

3.1 脈率與心率的誤差

圖 3 為不同年齡段利用脈搏波估計心率的誤差柱狀圖。由圖 3 可知，所有年齡段的平均誤差均較小(基本在 0 附近，即系統偏差較小)。相較而言，40 歲以下的年輕人誤差標準差較小(20～29 歲:0.32 搏/分鐘(beats per minute，bpm)；30～39 歲:0.38 bpm)，40 歲以上的中老年人誤差標準差較大(40～49 歲:0.73 bpm；50～59 歲:0.69 bpm；60 歲以上:0.69 bpm)。在各個年齡段組間，誤差無顯著統計差異(均值差異不大，在 0 附近)，但誤差的絕對值在20～29 歲和 40～49 歲、20～29 歲和 50～59歲、20～29 歲和 60 歲以上；在 30～39 歲和40～49歲、30～39 歲和 50～59 歲、30～39 歲和60 歲以上均存在顯著統計差異(P＜0.001)(標準差差異稍大)，在 20～29 歲和 30～39 歲組之間無顯著差異。

圖3 心率估計誤差(均值±標準差)Fig. 3 Heart rate estimation error (mean ± standard deviation)

圖 4 為心率與脈率的 Bland Altman 一致性分析圖，與圖 3 的結果類似，40 歲以下的年輕人脈率與心率的一致性較好，差值分布較集中，誤差較小，只有 5% 的點誤差超過 0.6～0.8 bpm；40歲以上的中老年人脈率與心率的一致性稍差，差值分布較分散，誤差較大，有 5% 的點誤差超過1.3 bpm，部分點的誤差可達 5 bpm。

圖4 脈率與心率的一致性分析圖Fig. 4 Bland Altman plots of pulse rate and heart rate

圖 5 為脈率與心率的相關性分析及一元線性回歸分析結果。由圖 5 可知，脈率與心率的相關性較高(0.99 以上)，究其原因，可能是本實驗受試者為健康人，且信號在靜息條件下進行采集。所有群體的心率與脈率散點圖均集中在回歸線Y＝X附近，但 40 歲以下的年輕人分布更為集中，40 歲以上的中老年人分布較為離散。

圖5 脈率與心率的相關性及一元線性回歸分析圖Fig. 5 Correlation and univariate linear regression analysis graph of pulse rate and heart rate

3.2 脈率變異性與心率變異性的誤差

圖 6 為不同年齡段的心率變異性(包括時域參數:SDNN、ARV 和 RMSSD；頻域參數:LF、HF、LFn、HFn、LHR)估計誤差的均值方差柱狀圖。由圖 6 可知，時域的心率變異性參數(SDNN、RMSSD、ARV)表現出與心率類似的規律，即 40 歲以下年輕人的估計誤差較小，40 歲以上中老年人的估計誤差較大；頻域的心率變異性參數則未觀察到一定的規律。

圖6 心率變異性估計誤差(均值±標準差)Fig. 6 Estimation error of heart rate variability (mean ± standard deviation)

4 討論與分析

4.1 本文主要發現

本文探討了年齡對利用脈搏波估計心率和心率變異性的準確性的影響。試驗招募了年齡廣泛分布在 20～71 歲的 100 名健康者，在靜息狀態下對其數據進行采集，分析了利用脈搏波峰值點計算的心率/心率變異性在不同年齡段的誤差，結果表明:

(1)與利用心電計算的心率/心率變異性相比，利用脈搏波峰值點計算的心率/心率變異性在 40 歲以下的年輕人群中誤差標準差較小(0.3 bpm 左右)，在 40 歲以上的中老年人群中誤差標準差較大(0.7 bpm 左右)，時域的心率變異性參數(SDNN、RMSSD、ARV)表現出類似規律，但頻域的心率變異性參數無明顯規律。

(2)40 歲以下的年輕人脈率與心率的一致性較好，誤差較小(20～29 歲年齡組中只有 5% 的點誤差超過 0.6 bpm，30～39 歲年齡組中只有5% 的點誤差超過 0.8 bpm)；40 歲以上的中老年人脈率與心率的一致性稍差，誤差稍大，有 5%的點誤差超過 1.3 bpm，部分點誤差可達 5 bpm。

4.2 生理解釋

與年輕人相比，中老年人利用脈搏波估計心率/心率變異性的誤差較大，可能是潛在的供血問題緣故。脈搏波是由心輸出量產生的前向波(由心臟向外周血管傳播)和由外周血管阻力產生的反射波(由外周血管向心臟傳播)疊加而成，如圖 7 所示。血管彈性影響反射波的返回時間，在血管彈性較高的青年受試者指尖記錄脈搏波中，返回的反射波主要疊加在前向波的下降支上，如圖 7(a)所示，此時，其最大峰值點僅由前向波決定，等同于前向波峰值點，代表真實的心跳節律。但在血管彈性較差的中老年受試者的記錄脈搏波中，較早返回的反射波疊加在前向波的上升支上，如圖 7(b)所示，最大峰值點隨之增加并且向右移動，偏離前向波峰值點，此時，最大峰值點受反射波的影響，不能反映心跳節律，其可能是利用最大峰值點估計心率結果存在爭議的重要原因之一。上述內容分析了在靜息條件下，中老年人群體利用脈搏最大峰值點與利用心電 R 波峰值點計算心率/心率變異性時產生差異的較大原因。

圖7 年輕人與中老年人的脈搏波組成對比Fig. 7 Pulse wave composition of young and old people

已有研究調研了動脈硬化隨年齡增長的變化情況。Lu 等[17]通過對 80 415 名健康受試者進行分析發現，血管彈性的量化指標——臂踝脈搏波傳導速度，其隨著年齡增長的斜率在 40 歲左右以前較小，在 40 歲左右以后較大。AlGhatrif 等[18]通過對 111 名健康受試者分析發現，主動脈脈搏波傳導速度在 40 歲左右前上升較慢，在 40 歲左右以后上升較快。提示 40 歲前血管衰老速度較緩慢，40 歲后血管衰老速度加快。本文也通過相關實驗發現，利用脈搏波峰值點計算的心率/心率變異性，在 40 歲以下的年輕人群中誤差較小，在 40 歲以上的中老年人群中誤差稍大，該結果進一步說明，血管彈性可能是利用脈搏波峰值點計算心率/心率變異性時產生誤差的因素。

4.3 討論

利用脈搏波的峰值點估計心率/心率變異性是目前常用的方法，本文通過研究發現，年齡對利用脈搏波估計心率的準確性有一定影響。事實上，除本文分析的血管彈性因素影響利用脈搏波估計心率的準確性外，其他因素如生理因素(呼吸、運動等)[19]、病理因素(房顫、血管疾病等)[20]、技術因素(心率估計的算法)[9]等都會對利用脈搏波估計心率的準確性產生影響。本實驗發現，心律失常(如室上性早搏節律)病人利用脈搏波峰值點估計心率誤差可達 20 bpm。有一些病人(如房顫患者)雖然有心跳，但不能形成有效的泵血而形成脈搏，其心率往往大于脈搏，稱之為脈搏短促，此時，該病人的心率和脈搏是不相同的。國內外學者從技術層面修正利用脈搏波估計心率的誤差，通過算法提高脈率與心率的一致性。例如，利用一階導脈搏波的峰值點、二階導脈搏波的峰值點估計心率[21]。Antink 等[22]提出了一種利用連續局部區間估計器的方法，基于自相關函數的第一個最大值的位置估計心動周期，提高了利用脈搏波估計心率變異性的準確性和穩健性。在本課題組前期的研究中也提出了一種基于高斯擬合識別前向波峰值點的檢測方法，利用前向波峰值點估計心率，可減少血管彈性因素的影響，提高利用脈搏波估計心率變異性的準確性，在血管近端(耳朵)和血管遠端(指尖)，年輕人和中老年人記錄的脈搏波中，心率/心率變異性的估計精度均較高[9]。

5 結 論

綜上所述，本文從生理分析和計算方法的角度出發，分析了利用脈搏波估計心率/心率變異性產生誤差的原因。受血管彈性因素影響，即使是靜息條件，在中老年人群體中，利用脈搏波峰值點替代心電 R 波峰值點，計算心率/心率變異性也要謹慎對待，需要更先進的算法提高利用脈搏波計算心率/心率變異性的準確性。雖然脈率/脈率變異性不一定反映與心率/心率變異性完全相同的信息，但其包含的外周血管信息，可能具有更多的臨床價值[1]。