我最近做體檢時做了個心電圖(ECG),有12根引線「黏貼」到我的全身。在一段時間內,醫生都會使用這種方法,但讓我們看一下在運動過程中測量心率的另一種方法—它是一種非醫療活動,不需要美國醫學協會(AMA)或美國食品藥品監督管理局(FDA)批准。

《Validation and Reliability of PerformTek Earbud Heart Rate Sensor Utilizing 12 Lead ECG(使用12導聯心電圖PerformTek耳塞心率感測器的驗證和可靠性)》這篇白皮書中,評估了用在運動過程中準確測量心率的Valencell耳塞式感測器的精度和重複性,並與12導聯心電圖方法進行了比對。Valencell這家公司使用光體積變化描記圖法(photoplethysmography,PPG)技術測量心率。PPG方法透過光學體積描記法測量血容量脈搏(BVP)、並提供心率、心跳間隔(通常透過心電圖測量的連續心跳之間的時間間隔)和血管擴張/收縮資料。

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許多外部刺激使準確測量心率變得非常困難,讓我們來看看。

BVP和皮膚電導(SC)

人體對環境條件中的外部刺激會做出生理或生物上的應激反應,例如人聲嘈雜、人群擁擠、強光照射和其他類似刺激都會引起應激反應。身體將透過自主神經系統(ANS)進行反應。ANS是調節心率、排汗、呼吸、瞳孔直徑和消化的身體控制機制,它由兩個主要區域組成:交感神經和副交感神經通路。它們分別擔負相反的工作—交感神經系統(SNS)使身體做動作準備;副交感神經系統(PNS)則促進放鬆和消化。

什麼是膚電活動(EDA)?

EDA是皮膚電性能的無意識變化,皮膚電導由SNS決定。隨著SNS的介入,其會引起皮膚出汗的增加,可以透過在兩點之間施加電勢並測量其間產生的電流來測量出汗量。皮膚電導以微西門子(μS)表達,並隨著喚醒(arousal)水準的提升而增加。放鬆時,皮膚電導率通常會下降。EDA訊號包括基線張力(baseline tonic/皮膚電導水準,SCL)和快速相位(皮膚電導反應,SCR)分量。後者自發發生,但也可以由外部事件觸發。

什麼是心血管反應(CR)?

CR是心率變化,受SNS和PNS的影響,可以使用心電圖或PPG感測器進行測量。心率變異性(HRV)已被用於醫藥和生物回饋領域,用來促進人類健康。HRV測量心率如何變化,研究人員利用心跳間隔訊號的頻率分量來提取低頻和高頻訊號。低頻有交感神經的參與。高頻是交感神經和副交感神經同時參與,所以這些比例已被用於量化在心理生理學中SNS的相對參與程度。

每次心跳都短暫地增加動脈和毛細血管床中的血容量。身體內迴圈泵送的血液量是一種容易實現的測量心率影響的方法,它可由血容量脈搏(BVP)振幅測量。交感神經系統的喚醒和介入增加了流向重要器官的血液量,並減少了流向四肢(如手指)的血量。所以,交感喚醒會導致血管約束,它由BVP幅度的降低來表明。

《Emotional State and Cognitive Load Analysis using Features from BVP and SC Sensors(使用BVP和SC感測器特性的情緒狀態和認知負荷分析)》論文中,對從BVP和SC感測器得到的心理生理訊號特徵到許多受試者的情緒狀態和認知負荷進行了很好的映射。事實表明,認知任務會對呼吸和心率變異性產生產生影響。論文中使用SC和BVP特徵,例如SCR和心率(HR)來確定情緒狀態,並且心率變異性頻譜的低頻頻帶中的頻譜功率加上SCR有助於確定認知負荷。

為了確定活動期間可重複且準確的心率,Valencell已經設法克服了上述及其他一些障礙(例如運動偽影)。

克服運動偽影而獲得最佳心率準確度

目前市場上許多心率監測儀都能對靜止的對象實施準確心率測量,有一些還可對行走對象實施準確心率測量—但在慢跑或跑步時呢?即使在不太劇烈的活動情況下,大多數心率監測儀都不能準確地測量一個人的心率。

如果不能在不干擾實際心率的前提下去除雜訊,運動偽影就會使感測器資料處理出錯。運動偽影一直以來困擾著基於心電圖的胸帶,因為與身體的間歇性接觸可能會丟失心率讀數。但光學檢測的情況還要差得多,因為即使當光學感測器牢固地貼著皮膚放置時,來自光線的運動偽影也極其嚴重。其原因是與血液流動無關的皮膚和肌肉組織的振動可引發光散射,並且這些運動雜訊訊號可能遠大於用於測量心率的PPG訊號(血流訊號)。在試圖提取更小的PPG訊號時,運動雜訊消除變成一項困難的任務。

此外,因心率跳動的節奏通常與跑步或慢跑的節拍相似,提取實際的心跳和血流資訊成為一項巨大的任務。實際上,大多數標準追蹤演算法可以鎖定跑步節奏,而看不到實際心率。Valencell使用主動訊號表徵解決了這些問題,其中運動雜訊被即時地主動表徵及動態去除。最終結果是實現強烈運動時心率和其他與血流相關的生物特徵的準確評估。

運動時準確測量心率的新方法

一種與血液流動非常緊密相關的新型光學感測器模組獲得了開發(圖1)。

20170508NT01P1 圖1 PerformTek感測器模組有一個光學紅外線(IR)發射器,照射在耳朵的對耳屏(antitragus)和外耳(concha)之間。

圖1中,我們看到,大多數光線會穿過身體的皮膚,不會到達檢測器(黃光)。少量的光被皮膚吸收,也不會到達檢測器(橙光)。少量的光將從皮膚表面反射出來,並引起訊號雜訊(紅光);還有少量的光會進入肌肉組織,受到血液流動調製,並且散射回到光學檢測器(綠光),綠光就是心率訊號。

耳朵區域被確定是能夠測量多個重要參數的完美區域。原因在於頸動脈血流系統沿著耳道區域垂直運行,並且還有一個毛細血管系統穿過對耳屏和耳垂。透過PPG,該區域可以很好地獲得血流量和心率。

因為耳朵受到很好的保護,且在跑步或鍛鍊過程中運動幅度不會太大,所以它也是個很好的區域,這使得它成為生理測量的穩定平台。Valencell網站上可以看到臨床驗證。

20170508NT01P2 圖2 包括對耳屏和外耳在內的耳朵的各部分。(圖片來源:美國國立人類基因組研究所)

耳塞

在我最近刊登在EDN網站上的《Valencell and Jabra team up to create the most accurate wireless earbud device(Valencell和Jabra合作創造最準確的無線耳塞設備)》一文中,討論了耳塞既可作為無線娛樂設備又可成為一款用於健身用戶的具「臨床級」準確性的設備。

為什麼是耳朵?Valencell已經能夠將感測器模組做得夠小,而將其裝配在音訊耳塞中,並且具有足夠的空間用於音訊腔、揚聲器驅動器,以及任何高性能運動音訊耳機通用的其他元件。

脈搏血氧飽和度耳夾(ear clip)已經在市場上銷售,但這款Valencell感測器模組被完全嵌入到了音訊耳塞中,沒有耳夾或耳朵支架。嵌入式感測器可提供運動資料的即時分析,如心率、行走距離、消耗掉的卡路里和有氧健身的最大耗氧量(VO2 max)。感測器以發光二極體(LED)設計,對佩戴者無害。

通常,高精度胸帶是心率監測的標準。雖然非常準確,但對於許多消費者而言並不實用。它們被綁在使用者的胸腔上,並且由於身體開始出汗和移動(例如在跑步時)將變得非常不舒服。此外,如果人的皮膚變乾,電極就不能正常工作,心率估算會出錯。

無縫、準確和可重複的解決方案需要予以開發,但是使用PPG,運動時的運動偽影會導致無法提供可接受的性能。但將設計做進耳塞這樣一種跑步者和運動愛好者如此常見且對人無損的設備,就解決了上述問題。

20170508NT01P3 圖3 沿著耳道的頸動脈系統。(圖片來源:Valencell提供)

《Validation and Reliability of PerformTek Earbud Heart Rate Sensor Utilizing 12 Lead ECG》文中討論Valencell的PerformTek耳塞產品對比12導聯心電圖方法的準確性和可靠性的臨床試驗。最終結果表明,ECG和Valencell的耳塞內的PerformTek解決方案存在高度相關性。《Earbud-Based Sensor for the Assessment of Energy Expenditure, HR, and VO2 max》討論了一項研究,其中檢查了Valencell的耳塞感測器,用以確定總能量消耗(TEE)和VO2 max的準確性。結果是耳塞式感測器可以在心肺運動期間準確估算這些參數。

LeBoeuf博士還寫道,其主動訊號表徵是消費類可穿戴產品最重要的方面之一。Valencell擁有一系列專利,其中,LeBoeuf博士及其同事已經驗證並測試了其PerformTek系統。

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