可穿戴心率变异性设备应用的研究进展

杜颖 丁亚辉 王程健 孙鹏飞

心率变异性（heart rate variability，HRV）是指逐次心动周期之间的变化差异，用于评估交感和副交感神经系统的状态及相互作用。HRV 下降是预测心肌梗死患者死亡的独立危险因素，在评估心力衰竭、糖尿病、帕金森病及抑郁症等疾病方面也有一定的临床应用价值。传统的HRV 测量设备如动态心电图需要佩戴记录系统和多个电极贴片，舒适度不高。相较之下，可穿戴设备以较为舒适的方式附着在人体表面，在移动性、便携性、易用性和对环境的适应性方面优于传统设备，近几年已成为HRV的研究热点之一[1]，本文对可穿戴HRV 设备的类型、应用场景、存在的问题及未来展望进行综述。

1 可穿戴HRV 设备的类型

1.1 智能贴片 智能贴片是一种可穿戴传感器，其通过粘合剂贴在患者皮肤上，通过泡沫部件和嵌入式电子组件来监测脉搏等生理指标。与动态心电图相比，患者无需佩戴额外的记录装置，舒适性和便携性大幅提升。Lee 等[2]开发的智能贴片系统通过3个电极贴片测量心电图，配合内置算法，R 峰的检测灵敏度为99.29%、阳性预测值为100.00%，误差为0.71%，运动噪声也较传统动态心电图更少，对HRV的评估效果与常规心电图类似。

Zio 贴片是一款可连续监测14 d 动态心电图的单导联粘贴式监测器，能让患者在日常生活中几乎不受干扰地记录心电图[3]。Pang 等[4]应用Zio 贴片监测HRV 证实其准确性与动态心电图相当。由于其伪影时间少，舒适度高，皮肤刺激小，在儿童监测对象中，Zio 贴片被认为是标准动态心电图的可靠替代物[5]。其他贴片装置如Lief 智能贴片、MultiSenseTM可穿戴贴片、高分辨率多日动态心电图贴片等均可测量HRV，但目前缺少准确性的验证研究[6-8]。

1.2 基于光学体积描记术（photoplethysmogram，PPG）的可穿戴HRV 设备 PPG 是一种低成本非侵入性的光学技术，由附着皮肤放置的光源和光电探测器组成，通过测量血液的微循环变化实现心跳检测[9]。目前，接触式PPG 和远程PPG 是获取PPG 信号的两种可行方式[10]。研究发现PPG 衍生的HRV与心电图测量的HRV 具有高度相关性[11]。

1.2.1 接触式PPG（contact photoplethysmogram，CPPG）设备 现有研究发现CPPG 设备通过脉搏测量脉率变异性（pulse rate variability，PRV）。该设备传感器上的发光二极管发射特定颜色和波长的光到人体特定部位的表皮皮肤，然后根据光敏传感器接收相应的反射光或入射光达到检测脉搏信号的目的[12]。Nuuttila 等[13]比较了41 例同时佩戴腕带式CPPG 设备和Polar H10 心率传感器的受试者的HRV 数据，结果证明腕带式CPPG 设备的精确度足以在健康人群中长期监测PRV。但也有研究认为，腕带容易受到运动的影响，PPG 信号不佳导致PRV结果不理想[14]。因此很多研究者尝试用多种方法来改善PRV 结果。Polak 等[15]发现基于离散小波变换及其逆变换结合振幅解调，可提高PPG 信号质量。Lin 等[16]认为正向峰值检测也可在应用PPG 法估计HRV 时减小分析误差。需要说明的是，虽然有研究证实PRV 可用作HRV 的替代指标[17-18]，但PRV 替代HRV 的局限性不可忽视（见表1）[12-13，19-22]。

表1 PRV 替代HRV 相关研究及局限性

除了腕带，Liu 等[23]发现智能手机也能作为CPPG设备测量HRV。智能手机的工作原理是通过内置摄像头拍摄指尖视频再将其转换为脉冲波形用于检测心率。但实验室环境之外，使用智能手机测量心率时，轻微的手部动作或环境光变化均易影响PPG信号。Neshitov 等[24]使用连续小波变换算法来识别破坏的PPG 信号，在HRV 评估方面表现出良好的准确性。Nardelli 等[25]比较了手腕和手指两个身体部位获得的PPG 和PRV 信号质量，发现从手指获得的PRV 动态与HRV 动态类似，但智能手机获取的PRV 代替HRV 的测量仍存在争议，脉搏传导期间PRV 易受到心率、血压变化和动脉顺应性的严重影响，导致PRV 的间隔期更长，这可能高估测量期内的全程相邻NN 间期之差的均方根（root mean square successive difference，RMSSD）的值[21，26]。

1.2.2 远程PPG（remote photoplethysmogram，RPPG）设备 在新生儿重症监护病房中使用接触式传感器或心电图监测心率时，皮肤脆弱的早产儿易受伤和感染，而非接触式心电图监测是很好的选择[22]。RPPG 设备测量HRV 的原理是使用摄像头捕捉与血液容量周期性改变同步的皮肤吸收光量的变化，通过分析视频得到RPPG 信号，用于测量HRV[27]。该技术现已在成人检测对象中被证明是一种确定心率的有效方法，但环境光水平、身体运动和摄像头参数等因素会影响RPPG 获得的HRV 数据的准确性[28-29]。不同于心率等简单参数的测量，HRV 分析需要质量更高的RPPG 信号，Kuang 等[30]提出对人脸视频时空建模，设计高效的时空注意网络ESA-rPPGNet 来恢复高质量的RPPG 信号，该方法能准确定位每一次心跳的峰值，提高HRV 分析的准确性，降低网络的时间复杂度。

1.3 基于纺织品的可穿戴HRV 设备 纺织品以其柔韧、拉伸和耐洗等特性，其应用日益展现在可穿戴设备领域。纺织品由智能心电服装、纺织电极和微型心电硬件3 部分组成，其中纺织电极通过针织、编织和刺绣等方式附着在日常服装中。纺织电极可分为金属电极、电子电极和导电聚合物电极3种[31]。金属电极利用心电耦合原理实现非接触式心电采集，利用压力提高信号质量，但易引起患者不适。Lee 等[32]提出一种由镍/铜制成的柔性电极用于提高舒适性。与常规的银/氯化银电极相比，该柔性电极在站立时的准确性达到100%。随着行走速度加快，柔性电极的准确性会有所下降，但误差仍可接受。高阻高介电材料是动态环境下实现稳定心电信号的基础。Kang 等[33]研究表明，使用直径为1～3 cm的二氧化硅涂层作为介电层涂于金属电极和皮肤之间，可降低动态心电图测量中的信号衰减、电磁干扰和运动伪影等影响，实现更准确的测量。Goyal等[34]研究发现钛氧化物的相对介电常数比不锈钢高，电容耦合能力更强，因此钛电极的信号质量较不锈钢电极更好。

Teferra 等[35]研究发现纺织品和动态心电图监测器在信号质量上并无显著差异，并证实较大面积的纺织电极、“湿”电极、置于左右前腋点的电极可获得更好的信号质量。Ozturk 等[36]使用银/氯化银“湿”电极作为金标准，研究了采用浸涂和喷涂技术制造的石墨烯织物记录的心电图（持续时间为15 s）与该金标准之间的相关性。结果表明，使用石墨烯织物记录的心电图获得了高达约96%和约98%的相关性。此外，HRV 的时域检测指标之一RMSSD 的测量值在预期范围内（18～74 ms），证实了纺织品测量HRV 的可行性。

导电聚合物因其易制造且灵活性和耐久性均较好而被认为是有前景的可穿戴医疗保健应用。然而，纺织品通常会受到汗液等外部环境的影响。聚（3，4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）[poly（3，4-ethylenedioxythiophene）:poly（styrenesulfonate），PEDOT:PSS]因具有离子导体和电子导体的双重功能可较好应用于纺织品电极[37]。Ankhili 等[38]测试了洗涤次数与心电信号的关系，发现PEDOT:PSS 纺织电极经过50 个周期的洗涤后采集到的心电信号尚可，因此认为PEDOT:PSS 纺织电极可植入服装监测心电数据。

2 可穿戴HRV 设备的应用场景

2.1 心血管健康评估 可穿戴HRV 设备已用于心血管健康评估中，如筛选心房颤动患者和监测孕期心血管容量等。Ramesh 等[39]结合一维深度卷积神经网络与HRV 衍生特征将来自心电图和PPG 传感器的30 s 心率分为正常窦性心律或心房颤动心律，该模型在心电图数据集和PPG 信号数据集上获得了相似的准确度、灵敏度和特异度。这项研究在高效筛选心房颤动患者的同时也证实了PRV 替代HRV的可靠性，为出行不方便的群体如孕妇提供了居家监测心血管健康的方法。18 例健康女性参加了一项HRV 前瞻性队列研究，她们在受孕前、怀孕期间和产后分别佩戴一条WHOOP 带。结果表明，运动对孕期心血管健康有益，但建议进行阻力训练和晚期运动，并需关注运动期间的最大心率[40]。

2.2 心理评估 HRV 是评价焦虑、抑郁和慢性压力有用的生理指标之一，可穿戴HRV 设备现已广泛应用于评估抑郁障碍患者和双向情感障碍患者。抑郁症可能会对患者的日常生活和工作产生严重影响，因此判断抑郁症患者适合重新开始工作的时间非常重要。Shinba 等[41]通过可穿戴心电图设备获得的HRV 评估重度抑郁障碍患者在病假后重返工作的可行性，用于区分成功返回和不成功返回的灵敏度高达95.8%。双向情感障碍患者易于出现自杀倾向和罹患缺血性心脏病，因此需要高度重视。Ortiz等[42]分析了53 例处于不同疾病阶段的双相情感障碍患者的疾病负担（包括疾病持续时间、抑郁发作次数、最严重的躁狂/轻躁狂发作的持续时间以及自杀家族史）与HRV 之间的关系。结果显示，疾病负担高的双相情感障碍患者HRV 降低，心血管疾病和死亡的风险升高。

2.3 睡眠监测 临床上多导睡眠图（polysomnography，PSG）被认为是检测睡眠疾病和提供客观睡眠质量参考的“金标准”，目前单导联心电图和PPG 信号简化的PSG 也已用来评估主观睡眠质量。Li 等[43]开发了基于可穿戴HRV 设备的睡眠质量评估策略，与主观睡眠问卷得分相比，测试的准确率高达0.786。其所提出的睡眠评估模型只需一个通道心动周期信号，容易应用到便携设备监测睡眠。Chalmers等[44]使用一次性银/氯化银电极采集的3 导联心电图进一步量化了HRV 参数与睡眠质量的关系，发现压力期间的HRV 参数中甚低频与3 个负面睡眠指数（睡眠质量、日间功能障碍和总体睡眠评分）呈负相关。

2.4 炎症识别 HRV 具有早期识别呼吸道炎症及全身炎症发作的潜力。186 例新型冠状病毒感染患者参与了一项可穿戴HRV 设备的研究，发现在症状发作前2 天HRV 特征预测感染的准确率为（83.34±1.68）%，精确度、召回率和F1 值分别为0.91、0.88和0.89[45]。Koeneman 等[46]在全身性炎症人体模型中使用可穿戴HRV 设备，发现HRV 特征在流感样症状和生命体改变之前开始升高。这表明HRV 可作为早期检测炎症反应的非侵入性方法。

3 可穿戴HRV 设备存在的问题与展望

可穿戴HRV 设备与传统动态心电图相比，具有穿戴简单、体积灵巧、舒适度高等优点，尤其是基于PPG 技术和纺织品技术的非接触式可穿戴HRV设备解决了皮肤刺激和损伤问题，但这类设备仍存在一些问题。如虽然可穿戴HRV 设备表现出与动态心电图一致的准确性，但相关研究较少且样本量小，还需要大样本数据支持。部分可穿戴设备仍处于体外研究阶段，有效性和安全性尚未在人群中验证，还需进一步的研究。

目前可穿戴HRV 设备已应用于多学科领域，在疾病诊断、病情及预后评估方面有着重要的作用。可穿戴式心律转复除颤器的研发为植入可穿戴HRV 设备的应用提供了可能，未来可致力于相关研究。此外未来可穿戴HRV 设备在提高信号质量和后续处理分析上可更多引入人工智能技术，提高设备在复杂环境中的使用效能，扩大应用范围。