可穿戴心率監(jiān)測算法的驗證與性能

生物傳感可穿戴設(shè)備依賴于復(fù)雜的算法來處理傳感器 IC 收集的信號，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可操作的見解。閱讀有關(guān)驗證Maxim Integrated可穿戴式心率監(jiān)測（WHRM）算法性能的研究，該算法利用同步的三軸加速度計和PPG數(shù)據(jù)提供多種最終用戶友好的健身跟蹤輸出。

1 引言

通過持續(xù)跟蹤心率等參數(shù)，可穿戴健康和健身監(jiān)測器正在提供有關(guān)健康的寶貴見解。心率是以每分鐘心跳數(shù) （BPM） 為單位的心臟收縮頻率。脈搏率是動脈由于心臟收縮引起的血壓變化而產(chǎn)生可測量脈搏的次數(shù)。通常，PPG（光電容積描記術(shù)）信號提供有關(guān)脈搏率而不是心率的信息。但是，在本文中，我們將使用“心率”，這是市場上的標準。

生物傳感可穿戴設(shè)備依賴于測量生物特征信號的傳感器 IC 和將這些信號處理成可操作數(shù)據(jù)的復(fù)雜算法。本文介紹了一項驗證Maxim可穿戴心率監(jiān)測（WHRM）算法性能的研究。WHRM 算法利用同步的三軸加速度計和 PPG 數(shù)據(jù)來提供多個最終用戶友好的健身跟蹤輸出，如心率，以及與活動相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如步數(shù)、燃燒的卡路里和用戶的活動類別。PPG信號可以從手指，手腕，耳朵，腳趾，胸部等的心室收縮中收集。

1.1 Maxim的WHRM解決方案

Maxim的WHRM解決方案包括心率和活動跟蹤算法，特別適用于心率檢測、心跳檢測、步數(shù)測量和活動分類。設(shè)想的產(chǎn)品針對健康和保健應(yīng)用，通過優(yōu)化的電源管理進行連續(xù) 24/7 全天候監(jiān)測，并提供準確的心率和心跳間斷 （IBI） 檢測、步數(shù)檢測和逐個樣本的活動分類。

然而，有一些關(guān)鍵因素使得從手腕進行基于PPG的心率監(jiān)測極具挑戰(zhàn)性：

周期性/非周期性運動

電氣噪聲

機械/表帶設(shè)計

環(huán)境光

黑色素/膚色

低血灌注

WHRM 算法通過以下方式克服了這些挑戰(zhàn)：

運動補償和抑制

檢測活動/運動類型并估計此運動對PPG信號的影響

從 PPG 信號中清除運動的影響，實現(xiàn)可靠的心率監(jiān)測

多通道融合

將多個通道與信號處理技術(shù)相結(jié)合，以獲得一個改進的PPG信號

AFE 設(shè)置的控制：

優(yōu)化信號質(zhì)量（在電噪聲范圍內(nèi)）和功耗

克服低血灌注或黑色素/膚色帶來的挑戰(zhàn)性病例

2 驗證和性能

為了驗證WHRM算法的性能，我們對25名受試者進行了評估。參與者的年齡、膚色、血液灌注和身體狀況各不相同。該協(xié)議旨在體驗不同的心率水平和心率變異行為，以評估所有可能條件下的算法。

2.1 數(shù)據(jù)收集

在評估中，我們利用了一個由從25個不同受試者收集的82個數(shù)據(jù)序列組成的數(shù)據(jù)集。每個數(shù)據(jù)序列大約36分鐘長，在此期間，每個受試者都進行了一些活動，如躺著，坐著，走路，跑步，騎自行車等。這些活動的順序和持續(xù)時間通過“馬克西姆體育協(xié)議”定義，每個受試者都應(yīng)用該協(xié)議。表 1 顯示了用于收集此數(shù)據(jù)集的完整協(xié)議。

表 1.馬克西姆36分鐘運動協(xié)議

受試者的年齡、膚色、灌注、身體狀況等各不相同。參與者的年齡和菲茨帕特里克（FP）量表分布如圖1所示。

圖1.菲茨帕特里克量表分布25個受試者。

圖2.25名受試者的年齡分布。

數(shù)據(jù)由Maxim參考設(shè)計手表收集，該手表由一個LED和兩個多通道光電二極管（PD）以及作為參考測量設(shè)備的ECG底座胸帶組成。數(shù)據(jù)是在實驗室環(huán)境中使用跑步機和健身/健身車進行活動的。示例心率圖可在圖 4 至 8 中找到。

2.2 性能指標

本研究使用了三種不同的績效衡量標準。由于參考設(shè)備的限制，所有指標均以 1Hz 給出。

2.2.1 +/- 5 BPM 誤差帶精度

這是相對于參考設(shè)備輸出（ECG胸帶）具有= 5BPM絕對誤差的有效數(shù)據(jù)點的百分比。此指標以 1Hz 為單位計算。

2.2.2 平均絕對誤差

平均絕對誤差是每個Maxim HRM算法與參考設(shè)備輸出（ECG胸帶）的絕對差值的平均值。此指標以 1Hz 為單位計算。

2.2.3 95%置信區(qū)間

如果再次以類似的方式執(zhí)行測試，則 5BPM 誤差帶準確度數(shù)字將落入該區(qū)間（概率為 95%）。例如，我們?nèi)〔叫谢顒拥?95% 置信區(qū)間，即 [95.15， 98.38]。如果我們以類似的方式再次執(zhí)行測試，5BPM 誤差帶精度將下降到 95.15% 和 98.38% 以 95% 的概率。

2.2.4 時間對齊

由于實時數(shù)據(jù)收集條件，Maxim心率輸出和參考設(shè)備（ECG胸帶）輸出之間可能存在時間差，原因如下：

參考設(shè)備以源自設(shè)備電子設(shè)備或應(yīng)用程序的一些時間延遲開始的可能性

在數(shù)據(jù)收集開始時，可能有一些時間延遲，源于用戶

在數(shù)據(jù)集通過消除該時差進行時間對齊后應(yīng)用評估。時間對齊示例如圖3所示。

圖3.最大心率和參考設(shè)備（ECG 胸帶）輸出之間的時間對齊示例。

2.3 性能結(jié)果

Maxim運動協(xié)議數(shù)據(jù)集（表1）使用WHRM算法進行處理。性能結(jié)果是根據(jù)第 2.2 節(jié)中定義的指標計算的。結(jié)果使用多通道融合計算（如表2所示）。

表 2.基于第2.2節(jié)中定義的性能指標的Maxim WHRM算法性能結(jié)果

WHRM算法和ECG胸帶輸出在數(shù)據(jù)集內(nèi)與黑色素/膚色、灌注、年齡、身體狀況等廣泛相關(guān)。結(jié)果表明，該算法在所有活動中報告可靠的心率。最具挑戰(zhàn)性的運動是步行和騎自行車，如表2所示。步行中具有挑戰(zhàn)性的部分是心率頻率通常接近運動頻率，并且運動偽影分量比PPG信號中的心率分量強得多。另一方面，在室內(nèi)自行車（健身房/健身自行車）中，加速度計信號可以弱地用于運動補償。

多通道融合是MaximWHRM解決方案的另一種強大方法。最終用戶設(shè)備可能會使用多個 PD/LED 生成多個 PPG 信號。Maxim解決方案采用特殊的多通道融合方法，可提高性能，特別是在跑步和步行活動中。該方法的增強結(jié)果可在表3中查看。

表 3.Maxim WHRM解決方案多通道融合方法增強性能

圖4.Maxim WHRM解決方案與ECG胸帶（參考裝置）輸出的比較 – 標準方案，示例1。

圖5.Maxim WHRM解決方案與ECG胸帶（參考裝置）輸出的比較 – 標準方案，示例2。

圖6.Maxim WHRM解決方案與ECG胸帶（參考裝置）輸出的比較——標準方案，示例3。

圖7.Maxim WHRM解決方案與ECG胸帶（參考裝置）輸出 – 標準方案，示例4。

圖8.Maxim WHRM解決方案與ECG胸帶（參考裝置）輸出的比較 – 標準實驗方案，示例5。

2.4 每日數(shù)據(jù)集驗證

WHRM解決方案也在日常生活條件下得到了驗證。從50個不同的受試者中收集了~120個單獨的數(shù)據(jù)序列，大約三到四個小時。數(shù)據(jù)由Maxim參考設(shè)計腕表收集。數(shù)據(jù)收集觸發(fā)后，參與者繼續(xù)他們的日常生活活動，如在辦公室里走動、打字、吃飯等。收集日常生活數(shù)據(jù)最具挑戰(zhàn)性的部分是非周期性/不規(guī)則運動的影響。性能結(jié)果如表 4 所示。

表 4.Maxim WHRM 算法 – 每日數(shù)據(jù)性能結(jié)果

圖 9 和圖 10 顯示了 WHRM 解決方案相對于 ECG 胸帶的日常生活輸出樣本。從表格和圖中可以看出，WHRM算法的結(jié)果與ECG胸帶高度相關(guān)。

圖9.Maxim WHRM解決方案與ECG胸帶（參考裝置）輸出 – 標準實驗方案，xxample 1.

圖 10.Maxim WHRM解決方案與ECG胸帶（參考裝置）輸出的比較 – 標準方案，示例2。

2.5 測量質(zhì)量指標

如第 1.1 節(jié)所述，有一些關(guān)鍵因素會影響基于 PPG 的心率監(jiān)測的性能。因此，要可靠地報告心率，測量質(zhì)量是關(guān)鍵因素。在我們研究的驗證階段，我們將算法的報告與基于ECG的設(shè)備收集的數(shù)據(jù)進行了比較，從而能夠計算出測量的質(zhì)量/性能。但是，在現(xiàn)實生活中，不會有參考設(shè)備來評估測量質(zhì)量。WHRM 解決方案提供了一個測量質(zhì)量指標，可以實時評估心率報告。

Maxim的心率測量質(zhì)量指標對0到100之間的測量進行評分：

100%：完美的測量質(zhì)量

75%：足夠好的測量質(zhì)量

50%：測量質(zhì)量基本足夠好

25%：測量質(zhì)量差

0%：測量不可靠

每個心率值都使用算法中的測量質(zhì)量值進行報告，因此可以實時評估心率報告。表 5 提供了測量質(zhì)量指標的性能結(jié)果以及上述數(shù)據(jù)集。

表 5.測量質(zhì)量指標和心率測量的性能示例。

2.6 WHRM算法信號要求

2.6.1 信號要求

應(yīng)滿足適當?shù)膫鞲衅髋c皮膚耦合。腕表應(yīng)貼合舒適。

加速度計和PPG信號采樣速率應(yīng)為25Hz，采樣間隔在38至43ms之間。

加速度計到PPG的同步應(yīng)在25ms以內(nèi)，參考樣本時間戳。

加速度計和PPG數(shù)據(jù)點不應(yīng)下降，每分鐘不超過一個樣本。

2.6.2 參考裝置

心率 – 應(yīng)使用采樣率至少為 250Hz 的心電圖胸帶，例如 Polar H10

2.6.3 信號質(zhì)量

Maxim的算法期望pSNR*的信號質(zhì)量在靜止時>15dB，在運動時為6dB。在每個綠色PPG通道上測量信號以達到這些精度數(shù)字，HR頻率是PPG頻譜圖中的主頻率。

*對于pSNR計算（也稱為交流信號SNR），信號功率定義為信號在心跳頻率下的功率，以及其二次和三次諧波。噪聲功率定義為所有其他信號分量的功率，包括運動偽影。

2.7 活動分類和計步驗證

活動分類和計步性能由從 36 名受試者收集的 72 個數(shù)據(jù)序列組成的數(shù)據(jù)集驗證。室內(nèi)性能由從 20 名受試者收集的 40 個數(shù)據(jù)序列組成的數(shù)據(jù)集驗證。室內(nèi)協(xié)議如表6所示。

表 6.活動分類和計步室內(nèi)性能驗證協(xié)議

戶外表現(xiàn)由從 16 名受試者收集的 31 個數(shù)據(jù)序列組成的數(shù)據(jù)集驗證。室外協(xié)議如表7所示。

表 7.活動分類和計步戶外性能驗證協(xié)議

這些數(shù)據(jù)是用Maxim參考設(shè)計腕表收集的，手動答題器用作參考測量。將算法的活動分類輸出與協(xié)議進行比較（數(shù)據(jù)收集期間記錄活動轉(zhuǎn)換時間戳），并將計步結(jié)果與手動答題器進行比較。室內(nèi)和室外性能結(jié)果見表8。

表 8.活動分類和計步性能結(jié)果

3 小結(jié)

我們的研究結(jié)果表明，Maxim WHRM解決方案的心率監(jiān)測與ECG胸帶（參考設(shè)備）的心率監(jiān)測高度相關(guān)。WHRM 算法符合物理心率測量的 ANSI/CTA 標準，性能甚至優(yōu)于這些標準1.該算法使用加速度計信息來抑制PPG在周期性運動活動（步行、跑步、騎自行車等）、運動補償和多通道融合中的運動偽影，以提高整體性能，特別是在日常生活活動（非周期性運動）中。WHRM 解決方案還控制 AFE 設(shè)置，以優(yōu)化信號質(zhì)量（存在電噪聲的情況下）和功耗，這對于可穿戴設(shè)備的連續(xù)心率監(jiān)測至關(guān)重要。該算法在監(jiān)測心率方面的可靠性可能有益于其他新用例，例如睡眠、壓力、VO2-MAX、EPOCH 監(jiān)測等。該算法在活動分類（休息、步行、跑步、騎自行車）和計步方面也非常成功。

審核編輯：郭婷