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]是一種通過檢測體源性或心源性參數(shù)，自動調(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動狀態(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調(diào)控起搏心率的方法[3-4],區(qū)別于以往體動型頻率自適應(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人體運動進而調(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]，對現(xiàn)有產(chǎn)品進行有益的補充和完善，使其更符合現(xiàn)代國人的體質(zhì)條件。

2 對象與方法

2.1 實驗對象

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。共計進行269次實驗，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，實驗前均簽署自愿參加實驗以及實驗營養(yǎng)補償和實驗意外傷害責任協(xié)議。

表1 志愿者情況分析

2.2 實驗方法

2.2.1實驗設(shè)備 實驗設(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系列運動跑臺。

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 運動心率表

2.2.2運動協(xié)議 本研究的基本協(xié)議[8-9]為Bruce-Q運動協(xié)議，在標準Bruce協(xié)議基礎(chǔ)上增加1 mph平板速度、5%坡度的負荷作為方案的第0級，見表2。

表2 實驗用平板改良Bruce-Q方案[10]

2.2.3方法與步驟 實驗前，完成加速度測試和心率記錄系統(tǒng)的定標和零點調(diào)整，按照運動協(xié)議輸入跑臺控制系統(tǒng)。實驗步驟如下：

(1)避開衣物，以減小因衣物摩擦牽拉引起的傳感器誤動，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)皮下位置對應(yīng)。膠帶采用十字交叉粘帖，以最大程度地減小受試者運動時傳感器的共振。此外，粘帖傳感器時，盡量使3個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)受試者戴心率遙測胸帶，豎直位站立在跑臺上，準備開始。

(3)同時啟動加速度采集系統(tǒng)、跑臺和心率測試系統(tǒng)[11-12]，同步連續(xù)記錄各個運動負荷級別的數(shù)據(jù)。運動過程中，每級運動負荷切換時提醒受試者，以免其因突然換級而導(dǎo)致心率波動過大，并在加速度采集軟件數(shù)據(jù)記錄中做出標記。

(4)采集恢復(fù)期心率數(shù)據(jù)。運動結(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)實驗結(jié)束后，受試者完全恢復(fù)且無不適感方可離開。(本研究不強制受試者達到某運動負荷級別，在受試者自覺極度乏力、步態(tài)不穩(wěn)時，或當其心率達到最高心率時，停止實驗，受試者最高心率=220 bpm-年齡)

2.3 數(shù)據(jù)分析的依據(jù)

建立實驗數(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 實驗過程中，CXL10LP3加速度傳感器連續(xù)檢測出人體運動加速度在X、Y、Z三個正交軸上的投影，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，信號通過串口傳輸給計算機測量系統(tǒng)軟件，該系統(tǒng)實時顯示信號并記錄。本研究3個加速度通道采樣率均為133 Hz，不同運動負荷級別切換時以“mark”為標記。

數(shù)據(jù)按照X、Y、Z三個加速度通道分別利用二階FIR Butterworth Filter進行濾波，高通濾波器截止頻率設(shè)為0.1 Hz，去除信號中直流分量的影響，低通波器截止頻率10 Hz，去除信號中高頻干擾。軟件對濾波后的信號分別進行測量計算，經(jīng)FFT頻譜分析、功率譜分析得出每級負荷、每軸加速度信號的頻率特性，經(jīng)取絕對值、積分運算，計算出加速度信號峰峰值。

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軟件進行處理，分別得出每個受試者和所有受試者靜息期、各個運動負荷級別以及恢復(fù)期的心率統(tǒng)計結(jié)果。

2.3.3三軸加速度-心率數(shù)據(jù)庫建立 將運動實驗中采集處理得到的每位志愿者在不同運動負荷級別的心率值與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)計分析 繪制每個運動負荷級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98名受試者心率及三軸向加速度數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理和統(tǒng)計分析，加速度數(shù)據(jù)經(jīng)分級、截取、濾波及積分運算得到各個運動級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，隨著受試者運動級別的增加，各運動級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, 說明受試者運動時，三個軸向中的Z軸(前后)方向?qū)\動貢獻最大。

表3 受試者各運動級別三軸向加速度及心率值

求取受試者各運動級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，說明受試者運動時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，說明在運動時Y、Z軸比X軸更能反應(yīng)人體真實運動狀態(tài)。

(3)R2(Y)大于R2(X)和R2(Z)，說明X、Y、Z三個軸向中，Y軸的心率-加速度線性相關(guān)性最強，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每級上升心率變化分析 分析受試者每次切換運動級別后，最初20個心率數(shù)據(jù)變化情況如下：

(1)大多數(shù)受試者心率在零級起始階段的波動幅度非常大，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、二級初期時，呈現(xiàn)清晰而明顯的上升趨勢，心率隨時間變化情況，見表5。

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

表5 第一、二級運動初期心率隨時間變化斜率及R2

3.1.3恢復(fù)心率曲線分析 心率恢復(fù)曲線見圖7，分析受試者運動結(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動結(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)計學(xué)意義，尚不能說明年齡與運動后心率恢復(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 志愿者運動結(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 實驗時，受試者可能因處于陌生環(huán)境而情緒緊張，或?qū)嶒灝斕煊捎谧陨碓蚯榫w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心率的影響。

3.2.2受試者個體差異 表7為受試者運動敏感軸分析。由于每個人走路姿勢有差別，故實驗得到的運動-心率變化規(guī)律并不適用于每一個人。從精準醫(yī)療的角度出發(fā)，對于個體差異可進行加速度敏感軸確定實驗以取得最適軸向數(shù)據(jù)。

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

3.2.3設(shè)備穿戴 因所有實驗設(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，剔除有明顯錯誤的加速度值，以保證實驗結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

達到運動協(xié)議的負荷級后，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動負荷增加線性增大，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。受試者分級運動過程中，前后擺動加速度Gz變化最大，即運動時Z軸對整體運動加速度貢獻最大，Y軸、Z軸比X軸更能反應(yīng)人體真實運動狀態(tài)，但也應(yīng)注意到部分人左右擺動時的加速度與心率的關(guān)系更優(yōu)，這可能與實驗因素有關(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)。若從精準醫(yī)療角度出發(fā)，可通過術(shù)后運動實驗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、運動期、恢復(fù)期的完整加速度-心率數(shù)據(jù)庫，進一步完善了運動-心率預(yù)測系統(tǒng)，使運動心率調(diào)控更符合正常人生理性起搏的需要。本研究對運動結(jié)束后2 min的恢復(fù)心率進行分析，作為數(shù)據(jù)補充。通過實驗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18～24歲在校大學(xué)生的活動水平和活動強度積累數(shù)據(jù)有助于評價我國青少年活動水平現(xiàn)狀及身體素質(zhì)，為促進大學(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，但實驗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，采集運動數(shù)據(jù)以使實驗論更貼近人群真實水平。此外對于高運動級別，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，進行運動協(xié)議高級別運動實驗，使模型更加完善。