吳雯倩，單虹穎，張千遙 ,丁彥斌 ,羅亞琦 ,郭萍

(1.西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)部，西安 710061；2.西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)工程研究所，西安 710061)

1 引 言

頻率自適應(yīng)心臟起搏器[1-2]是一種通過檢測(cè)體源性或心源性參數(shù)，自動(dòng)調(diào)整起搏頻率的按需型起搏器。在各種頻率自適應(yīng)起搏器中，采用加速度傳感器感知人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)從而調(diào)控起搏心率的方法應(yīng)用非常廣泛，目前最新應(yīng)用于臨床的美敦力無引線心臟起搏器也采用通過加速度傳感器感知體動(dòng)調(diào)控起搏心率的方法[3-4],區(qū)別于以往體動(dòng)型頻率自適應(yīng)起搏器的是，無引線起搏器采用三軸加速度傳感器，取代單軸加速度傳感器檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)而調(diào)節(jié)起搏心率。本研究在前期建立的基于單軸加速度傳感器的起搏心率調(diào)控模型基礎(chǔ)上[5-6]，應(yīng)用原加速度采集系統(tǒng)和心率采集系統(tǒng)，采集更多的志愿者數(shù)據(jù)，建立三軸加速度—心率數(shù)據(jù)庫[7]，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行有益的補(bǔ)充和完善，使其更符合現(xiàn)代國人的體質(zhì)條件。

2 對(duì)象與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本研究共征集志愿者98名，其中，男32名，女66名，年齡范圍18～55歲，體重范圍42～73 kg，見表1。共計(jì)進(jìn)行269次實(shí)驗(yàn)，年度體檢排除器質(zhì)性心、肺、肝、腎疾患，血壓正常，無肢體功能障礙，實(shí)驗(yàn)前均簽署自愿參加實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)營養(yǎng)補(bǔ)償和實(shí)驗(yàn)意外傷害責(zé)任協(xié)議。

表1 志愿者情況分析

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備 實(shí)驗(yàn)設(shè)備為：三軸加速度傳感器(CXL10LP3美國Crossbow，見圖1)；心率采集系統(tǒng)(RS800 芬蘭Polar，見圖2)及英派斯DP系列運(yùn)動(dòng)跑臺(tái)。

圖1 體外三軸加速度傳感器(采樣率：200 Hz/軸) 及數(shù)據(jù)采集卡

圖2 運(yùn)動(dòng)心率表

2.2.2運(yùn)動(dòng)協(xié)議 本研究的基本協(xié)議[8-9]為Bruce-Q運(yùn)動(dòng)協(xié)議，在標(biāo)準(zhǔn)Bruce協(xié)議基礎(chǔ)上增加1 mph平板速度、5%坡度的負(fù)荷作為方案的第0級(jí)，見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)用平板改良Bruce-Q方案[10]

2.2.3方法與步驟 實(shí)驗(yàn)前，完成加速度測(cè)試和心率記錄系統(tǒng)的定標(biāo)和零點(diǎn)調(diào)整，按照運(yùn)動(dòng)協(xié)議輸入跑臺(tái)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)避開衣物，以減小因衣物摩擦牽拉引起的傳感器誤動(dòng)，將CXL10LP3加速度傳感器用長膠帶緊密固定在受試者體表左胸前鎖骨下部位，與起搏器植入體內(nèi)皮下位置對(duì)應(yīng)。膠帶采用十字交叉粘帖，以最大程度地減小受試者運(yùn)動(dòng)時(shí)傳感器的共振。此外，粘帖傳感器時(shí)，盡量使3個(gè)正交的加速度傳感器軸向平行于受試者的左右軸X、上下軸Y和前后軸Z。

(2)受試者戴心率遙測(cè)胸帶，豎直位站立在跑臺(tái)上，準(zhǔn)備開始。

(3)同時(shí)啟動(dòng)加速度采集系統(tǒng)、跑臺(tái)和心率測(cè)試系統(tǒng)[11-12]，同步連續(xù)記錄各個(gè)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷級(jí)別的數(shù)據(jù)。運(yùn)動(dòng)過程中，每級(jí)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷切換時(shí)提醒受試者，以免其因突然換級(jí)而導(dǎo)致心率波動(dòng)過大，并在加速度采集軟件數(shù)據(jù)記錄中做出標(biāo)記。

(4)采集恢復(fù)期心率數(shù)據(jù)。運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，受試者安靜站立，繼續(xù)記錄其心率數(shù)據(jù)2 min，觀察其心率恢復(fù)情況。

(5)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，受試者完全恢復(fù)且無不適感方可離開。(本研究不強(qiáng)制受試者達(dá)到某運(yùn)動(dòng)負(fù)荷級(jí)別，在受試者自覺極度乏力、步態(tài)不穩(wěn)時(shí)，或當(dāng)其心率達(dá)到最高心率時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)，受試者最高心率=220 bpm-年齡)

2.3 數(shù)據(jù)分析的依據(jù)

建立實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集分析與加速度-心率數(shù)據(jù)庫。

2.3.1加速度數(shù)據(jù)采集分析 實(shí)驗(yàn)過程中，CXL10LP3加速度傳感器連續(xù)檢測(cè)出人體運(yùn)動(dòng)加速度在X、Y、Z三個(gè)正交軸上的投影，Gx，Gy，Gz分別為左右、上下和前后的軸向加速度，G為合加速度。三個(gè)軸向的加速度數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡通過精度為12位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，信號(hào)通過串口傳輸給計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)軟件，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示信號(hào)并記錄。本研究3個(gè)加速度通道采樣率均為133 Hz，不同運(yùn)動(dòng)負(fù)荷級(jí)別切換時(shí)以“mark”為標(biāo)記。

數(shù)據(jù)按照X、Y、Z三個(gè)加速度通道分別利用二階FIR Butterworth Filter進(jìn)行濾波，高通濾波器截止頻率設(shè)為0.1 Hz，去除信號(hào)中直流分量的影響，低通波器截止頻率10 Hz，去除信號(hào)中高頻干擾。軟件對(duì)濾波后的信號(hào)分別進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，經(jīng)FFT頻譜分析、功率譜分析得出每級(jí)負(fù)荷、每軸加速度信號(hào)的頻率特性，經(jīng)取絕對(duì)值、積分運(yùn)算，計(jì)算出加速度信號(hào)峰峰值。

2.3.2心率數(shù)據(jù)采集分析 記錄心率參數(shù)數(shù)據(jù)，用SPSS軟件進(jìn)行處理，分別得出每個(gè)受試者和所有受試者靜息期、各個(gè)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷級(jí)別以及恢復(fù)期的心率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2.3.3三軸加速度-心率數(shù)據(jù)庫建立 將運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中采集處理得到的每位志愿者在不同運(yùn)動(dòng)負(fù)荷級(jí)別的心率值與Gx、Gy、Gz的加速度峰峰值和頻率[13]記錄在Excel文件中，建立數(shù)據(jù)庫。

2.3.4三軸加速度調(diào)控起搏心率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 繪制每個(gè)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷級(jí)別所有受試者心率和三軸向加速度的關(guān)系圖，并做直線擬合[14-15]。排序分析各擬合曲線的R2值，選取最高R2值曲線作為基本曲線，以該軸向所有曲線斜率范圍作為心率調(diào)控變化范圍，心率上升率和下降率[16]由數(shù)據(jù)庫中靜息期和恢復(fù)期心率變化率確定。

3 數(shù)據(jù)分析與誤差分析

3.1 數(shù)據(jù)分析

3.1.1加速度心率相關(guān)性分析 對(duì)98名受試者心率及三軸向加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理和統(tǒng)計(jì)分析，加速度數(shù)據(jù)經(jīng)分級(jí)、截取、濾波及積分運(yùn)算得到各個(gè)運(yùn)動(dòng)級(jí)別的不同軸向加速度峰峰值，求取全部受試者的加速度峰峰值及對(duì)應(yīng)心率的平均值，結(jié)果見表3。

由表3可知，隨著受試者運(yùn)動(dòng)級(jí)別的增加，各運(yùn)動(dòng)級(jí)別的三軸加速度及合加速度的變化幅度和心率值均逐漸增大；三軸向加速度變化幅度大小為Gz>Gx,Gz>Gy, 說明受試者運(yùn)動(dòng)時(shí)，三個(gè)軸向中的Z軸(前后)方向?qū)\(yùn)動(dòng)貢獻(xiàn)最大。

表3 受試者各運(yùn)動(dòng)級(jí)別三軸向加速度及心率值

求取受試者各運(yùn)動(dòng)級(jí)別的三軸加速度及合加速度峰峰值Gx、Gy、Gz、G的平均值與其每級(jí)的心率平均值做線性擬合，見圖3-圖6。

圖3 X軸向加速度與心率關(guān)系

圖4 Y軸向加速度與心率關(guān)系

圖5 Z軸向加速度與心率關(guān)系

圖6 合加速度與心率關(guān)系

由圖3-圖6可知：

(1)R2均在0.9659～0.9999之間，說明受試者運(yùn)動(dòng)時(shí)的心率變化與各軸向加速度及合加速度變化的線性相關(guān)性良好；

(2)斜率值的大小反映心率(HR)隨加速度(Gx、Gy、Gz、G)變化的快慢，由圖3-圖6可知，斜率值分別為：X軸向 463.2，Y軸向175.87，Z軸向232.82，合加速度軸向146.09。其中，相對(duì)X軸而言，Y、Z軸向的斜率值與合加速度軸向的斜率值相差更小，說明在運(yùn)動(dòng)時(shí)Y、Z軸比X軸更能反應(yīng)人體真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

(3)R2(Y)大于R2(X)和R2(Z)，說明X、Y、Z三個(gè)軸向中，Y軸的心率-加速度線性相關(guān)性最強(qiáng)，可考慮將Y軸的心率-加速度曲線斜率范圍35.33～910.22作為起搏心率調(diào)控的斜率變化范圍。各軸向心率-加速度曲線斜率范圍，見表4。

表4 各軸向心率-加速度曲線斜率范圍

3.1.2每級(jí)上升心率變化分析 分析受試者每次切換運(yùn)動(dòng)級(jí)別后，最初20個(gè)心率數(shù)據(jù)變化情況如下：

(1)大多數(shù)受試者心率在零級(jí)起始階段的波動(dòng)幅度非常大，無明顯規(guī)律，不具有參照意義。

(2)大多數(shù)受試者心率在切換至第一、二級(jí)初期時(shí)，呈現(xiàn)清晰而明顯的上升趨勢(shì)，心率隨時(shí)間變化情況，見表5。

此段運(yùn)動(dòng)中受試者已經(jīng)排除了心理因素等的影響，且心率尚未達(dá)到上限，因此，處于正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故此段心率上升率對(duì)于完善數(shù)據(jù)庫中心率變化規(guī)律有一定意義。

表5 第一、二級(jí)運(yùn)動(dòng)初期心率隨時(shí)間變化斜率及R2

3.1.3恢復(fù)心率曲線分析 心率恢復(fù)曲線見圖7，分析受試者運(yùn)動(dòng)結(jié)束后2 min內(nèi)的心率數(shù)據(jù)，可見心率下降先快后慢，呈指數(shù)式下降，最后穩(wěn)定在正常值水平。

圖7 受試者心率恢復(fù)曲線

年輕與年長受試者運(yùn)動(dòng)結(jié)束2 min后心率恢復(fù)情況，見表6。用SPSS軟件分析，得到第一和第二分鐘內(nèi)兩類受試者心率下降率的P值分別為0.933和0.296，均大于α(α取0.05)，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，尚不能說明年齡與運(yùn)動(dòng)后心率恢復(fù)情況有明顯相關(guān)，但考慮到年齡稍大的受試者人數(shù)較少，二者有無關(guān)系還需采集更多受試者的數(shù)據(jù)得出。

表6 志愿者運(yùn)動(dòng)結(jié)束后恢復(fù)心率及變化率

3.2 誤差分析

3.2.1受試者心理因素 實(shí)驗(yàn)時(shí)，受試者可能因處于陌生環(huán)境而情緒緊張，或?qū)嶒?yàn)當(dāng)天由于自身原因情緒低落而影響基礎(chǔ)心率值，在每次數(shù)據(jù)采集前讓受試者靜坐直至心率穩(wěn)定在正常水平，但無法完全消除受試者自身心理因素對(duì)心率的影響。

3.2.2受試者個(gè)體差異 表7為受試者運(yùn)動(dòng)敏感軸分析。由于每個(gè)人走路姿勢(shì)有差別，故實(shí)驗(yàn)得到的運(yùn)動(dòng)-心率變化規(guī)律并不適用于每一個(gè)人。從精準(zhǔn)醫(yī)療的角度出發(fā)，對(duì)于個(gè)體差異可進(jìn)行加速度敏感軸確定實(shí)驗(yàn)以取得最適軸向數(shù)據(jù)。

表7 受試者運(yùn)動(dòng)敏感軸向人數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 7 Sensitive axial population statistics of subject motion

3.2.3設(shè)備穿戴 因所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備均為外穿，可能出現(xiàn)如傳感器未與皮膚完全貼合產(chǎn)生傾角等人為誤差，致使所記錄的加速度值有明顯偏差。故在處理數(shù)據(jù)時(shí)，剔除有明顯錯(cuò)誤的加速度值，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

達(dá)到運(yùn)動(dòng)協(xié)議的負(fù)荷級(jí)后，受試者的心率值基本穩(wěn)定。三軸向加速度及合加速度峰峰值均隨運(yùn)動(dòng)負(fù)荷增加線性增大，范圍不超過±2 g。三軸向加速度及合加速度峰峰值與心率均呈線性關(guān)系，擬合直線R2值為：0.9659～0.9999，線性相關(guān)較好的Y軸加速度-心率曲線斜率范圍為35.33～910.22，可作為起搏心率調(diào)控的斜率變化范圍。受試者分級(jí)運(yùn)動(dòng)過程中，前后擺動(dòng)加速度Gz變化最大，即運(yùn)動(dòng)時(shí)Z軸對(duì)整體運(yùn)動(dòng)加速度貢獻(xiàn)最大，Y軸、Z軸比X軸更能反應(yīng)人體真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但也應(yīng)注意到部分人左右擺動(dòng)時(shí)的加速度與心率的關(guān)系更優(yōu)，這可能與實(shí)驗(yàn)因素有關(guān)(如傳感器固定方位、受試者胸壁傾斜度)或與走路步態(tài)相關(guān)。若從精準(zhǔn)醫(yī)療角度出發(fā)，可通過術(shù)后運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)來選擇加速度敏感軸向。

5 討論與展望

本研究在線性調(diào)控的基礎(chǔ)上，加入靜息期和恢復(fù)期的生理特征變化參數(shù)，建立包含靜息期、運(yùn)動(dòng)期、恢復(fù)期的完整加速度-心率數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步完善了運(yùn)動(dòng)-心率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，使運(yùn)動(dòng)心率調(diào)控更符合正常人生理性起搏的需要。本研究對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)束后2 min的恢復(fù)心率進(jìn)行分析，作為數(shù)據(jù)補(bǔ)充。通過實(shí)驗(yàn)探索了不同年齡人的心率恢復(fù)情況差別，由于樣本量有限尚無法得出年齡對(duì)恢復(fù)心率有影響的結(jié)論，但可通過后續(xù)采集更多的心率數(shù)據(jù)，繼續(xù)探索心率恢復(fù)與年齡可能存在的相關(guān)性。

本研究對(duì)18～24歲在校大學(xué)生的活動(dòng)水平和活動(dòng)強(qiáng)度積累數(shù)據(jù)有助于評(píng)價(jià)我國青少年活動(dòng)水平現(xiàn)狀及身體素質(zhì)，為促進(jìn)大學(xué)生健康成長提供有效的科學(xué)依據(jù)。本研究受試者年齡為18～55歲，但實(shí)驗(yàn)樣本按年齡段分布不均衡，后續(xù)可通過募集更廣泛年齡段尤其是高年齡段志愿者，采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以使實(shí)驗(yàn)論更貼近人群真實(shí)水平。此外對(duì)于高運(yùn)動(dòng)級(jí)別，雖然本研究數(shù)據(jù)可以合理外延，但后續(xù)可在志愿者心率上限和體能允許前提下，提高設(shè)備水平，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)協(xié)議高級(jí)別運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，使模型更加完善。