生物傳感可穿戴設(shè)備依賴于復(fù)雜的算法來(lái)處理傳感器 IC 收集的信號(hào)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可操作的見解。閱讀有關(guān)驗(yàn)證Maxim Integrated可穿戴式心率監(jiān)測(cè)（WHRM）算法性能的研究，該算法利用同步的三軸加速度計(jì)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(guò)持續(xù)跟蹤心率等參數(shù)，可穿戴健康和健身監(jiān)測(cè)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(dòng)脈由于心臟收縮引起的血壓變化而產(chǎn)生可測(cè)量脈搏的次數(shù)。通常，PPG（光電容積描記術(shù)）信號(hào)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(chǎng)上的標(biāo)準(zhǔn)。

生物傳感可穿戴設(shè)備依賴于測(cè)量生物特征信號(hào)的傳感器 IC 和將這些信號(hào)處理成可操作數(shù)據(jù)的復(fù)雜算法。本文介紹了一項(xiàng)驗(yàn)證Maxim可穿戴心率監(jiān)測(cè)（WHRM）算法性能的研究。WHRM 算法利用同步的三軸加速度計(jì)和 PPG 數(shù)據(jù)來(lái)提供多個(gè)最終用戶友好的健身跟蹤輸出，如心率，以及與活動(dòng)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如步數(shù)、燃燒的卡路里和用戶的活動(dòng)類別。PPG信號(hào)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(dòng)跟蹤算法，特別適用于心率檢測(cè)、心跳檢測(cè)、步數(shù)測(cè)量和活動(dòng)分類。設(shè)想的產(chǎn)品針對(duì)健康和保健應(yīng)用，通過(guò)優(yōu)化的電源管理進(jìn)行連續(xù) 24/7 全天候監(jiān)測(cè)，并提供準(zhǔn)確的心率和心跳間斷 （IBI） 檢測(cè)、步數(shù)檢測(cè)和逐個(gè)樣本的活動(dòng)分類。

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

周期性/非周期性運(yùn)動(dòng)

電氣噪聲

機(jī)械/表帶設(shè)計(jì)

環(huán)境光

黑色素/膚色

低血灌注

WHRM 算法通過(guò)以下方式克服了這些挑戰(zhàn)：

運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和抑制

檢測(cè)活動(dòng)/運(yùn)動(dòng)類型并估計(jì)此運(yùn)動(dòng)對(duì)PPG信號(hào)的影響

從 PPG 信號(hào)中清除運(yùn)動(dòng)的影響，實(shí)現(xiàn)可靠的心率監(jiān)測(cè)

多通道融合

將多個(gè)通道與信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，以獲得一個(gè)改進(jìn)的PPG信號(hào)

AFE 設(shè)置的控制：

優(yōu)化信號(hào)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(lái)的挑戰(zhàn)性病例

2 驗(yàn)證和性能

為了驗(yàn)證WHRM算法的性能，我們對(duì)25名受試者進(jìn)行了評(píng)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(yàn)不同的心率水平和心率變異行為，以評(píng)估所有可能條件下的算法。

2.1 數(shù)據(jù)收集

在評(píng)估中，我們利用了一個(gè)由從25個(gè)不同受試者收集的82個(gè)數(shù)據(jù)序列組成的數(shù)據(jù)集。每個(gè)數(shù)據(jù)序列大約36分鐘長(zhǎng)，在此期間，每個(gè)受試者都進(jìn)行了一些活動(dòng)，如躺著，坐著，走路，跑步，騎自行車等。這些活動(dòng)的順序和持續(xù)時(shí)間通過(guò)“馬克西姆體育協(xié)議”定義，每個(gè)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(yùn)動(dòng)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(gè)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(jì)手表收集，該手表由一個(gè)LED和兩個(gè)多通道光電二極管（PD）以及作為參考測(cè)量設(shè)備的ECG底座胸帶組成。數(shù)據(jù)是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用跑步機(jī)和健身/健身車進(jìn)行活動(dòng)的。示例心率圖可在圖 4 至 8 中找到。

2.2 性能指標(biāo)

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

2.2.1 +/- 5 BPM 誤差帶精度

這是相對(duì)于參考設(shè)備輸出（ECG胸帶）具有= 5BPM絕對(duì)誤差的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)的百分比。此指標(biāo)以 1Hz 為單位計(jì)算。

2.2.2 平均絕對(duì)誤差

平均絕對(duì)誤差是每個(gè)Maxim HRM算法與參考設(shè)備輸出（ECG胸帶）的絕對(duì)差值的平均值。此指標(biāo)以 1Hz 為單位計(jì)算。

2.2.3 95%置信區(qū)間

如果再次以類似的方式執(zhí)行測(cè)試，則 5BPM 誤差帶準(zhǔn)確度數(shù)字將落入該區(qū)間（概率為 95%）。例如，我們?nèi)〔叫谢顒?dòng)的 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(cè)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(shí)間對(duì)齊

由于實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)間延遲開始的可能性

在數(shù)據(jù)收集開始時(shí)，可能有一些時(shí)間延遲，源于用戶

在數(shù)據(jù)集通過(guò)消除該時(shí)差進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊后應(yīng)用評(píng)估。時(shí)間對(duì)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(shí)間對(duì)齊示例。

2.3 性能結(jié)果

Maxim運(yùn)動(dòng)協(xié)議數(shù)據(jù)集（表1）使用WHRM算法進(jìn)行處理。性能結(jié)果是根據(jù)第 2.2 節(jié)中定義的指標(biāo)計(jì)算的。結(jié)果使用多通道融合計(jì)算（如表2所示）。

表 2.基于第2.2節(jié)中定義的性能指標(biāo)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(dòng)中報(bào)告可靠的心率。最具挑戰(zhàn)性的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)頻率，并且運(yùn)動(dòng)偽影分量比PPG信號(hào)中的心率分量強(qiáng)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(jì)信號(hào)可以弱地用于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

多通道融合是MaximWHRM解決方案的另一種強(qiáng)大方法。最終用戶設(shè)備可能會(huì)使用多個(gè) PD/LED 生成多個(gè) PPG 信號(hào)。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(dòng)中。該方法的增強(qiáng)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(qiáng)性能

圖4.Maxim WHRM解決方案與ECG胸帶（參考裝置）輸出的比較 – 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)方案，示例3。

圖7.Maxim WHRM解決方案與ECG胸帶（參考裝置）輸出 – 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方案，示例5。

2.4 每日數(shù)據(jù)集驗(yàn)證

WHRM解決方案也在日常生活條件下得到了驗(yàn)證。從50個(gè)不同的受試者中收集了~120個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)序列，大約三到四個(gè)小時(shí)。數(shù)據(jù)由Maxim參考設(shè)計(jì)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(dòng)，如在辦公室里走動(dòng)、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(yùn)動(dòng)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)方案，示例2。

2.5 測(cè)量質(zhì)量指標(biāo)

如第 1.1 節(jié)所述，有一些關(guān)鍵因素會(huì)影響基于 PPG 的心率監(jiān)測(cè)的性能。因此，要可靠地報(bào)告心率，測(cè)量質(zhì)量是關(guān)鍵因素。在我們研究的驗(yàn)證階段，我們將算法的報(bào)告與基于ECG的設(shè)備收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，從而能夠計(jì)算出測(cè)量的質(zhì)量/性能。但是，在現(xiàn)實(shí)生活中，不會(huì)有參考設(shè)備來(lái)評(píng)估測(cè)量質(zhì)量。WHRM 解決方案提供了一個(gè)測(cè)量質(zhì)量指標(biāo)，可以實(shí)時(shí)評(píng)估心率報(bào)告。

Maxim的心率測(cè)量質(zhì)量指標(biāo)對(duì)0到100之間的測(cè)量進(jìn)行評(píng)分：

100%：完美的測(cè)量質(zhì)量

75%：足夠好的測(cè)量質(zhì)量

50%：測(cè)量質(zhì)量基本足夠好

25%：測(cè)量質(zhì)量差

0%：測(cè)量不可靠

每個(gè)心率值都使用算法中的測(cè)量質(zhì)量值進(jìn)行報(bào)告，因此可以實(shí)時(shí)評(píng)估心率報(bào)告。表 5 提供了測(cè)量質(zhì)量指標(biāo)的性能結(jié)果以及上述數(shù)據(jù)集。

表 5.測(cè)量質(zhì)量指標(biāo)和心率測(cè)量的性能示例。

2.6 WHRM算法信號(hào)要求

2.6.1 信號(hào)要求

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

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

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

加速度計(jì)和PPG數(shù)據(jù)點(diǎn)不應(yīng)下降，每分鐘不超過(guò)一個(gè)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(hào)質(zhì)量

Maxim的算法期望pSNR*的信號(hào)質(zhì)量在靜止時(shí)>15dB，在運(yùn)動(dòng)時(shí)為6dB。在每個(gè)綠色PPG通道上測(cè)量信號(hào)以達(dá)到這些精度數(shù)字，HR頻率是PPG頻譜圖中的主頻率。

*對(duì)于pSNR計(jì)算（也稱為交流信號(hào)SNR），信號(hào)功率定義為信號(hào)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(hào)分量的功率，包括運(yùn)動(dòng)偽影。

2.7 活動(dòng)分類和計(jì)步驗(yàn)證

活動(dòng)分類和計(jì)步性能由從 36 名受試者收集的 72 個(gè)數(shù)據(jù)序列組成的數(shù)據(jù)集驗(yàn)證。室內(nèi)性能由從 20 名受試者收集的 40 個(gè)數(shù)據(jù)序列組成的數(shù)據(jù)集驗(yàn)證。室內(nèi)協(xié)議如表6所示。

表 6.活動(dòng)分類和計(jì)步室內(nèi)性能驗(yàn)證協(xié)議

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

表 7.活動(dòng)分類和計(jì)步戶外性能驗(yàn)證協(xié)議

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

表 8.活動(dòng)分類和計(jì)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(cè)與ECG胸帶（參考設(shè)備）的心率監(jiān)測(cè)高度相關(guān)。WHRM 算法符合物理心率測(cè)量的 ANSI/CTA 標(biāo)準(zhǔn)，性能甚至優(yōu)于這些標(biāo)準(zhǔn)1.該算法使用加速度計(jì)信息來(lái)抑制PPG在周期性運(yùn)動(dòng)活動(dòng)（步行、跑步、騎自行車等）、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和多通道融合中的運(yùn)動(dòng)偽影，以提高整體性能，特別是在日常生活活動(dòng)（非周期性運(yùn)動(dòng)）中。WHRM 解決方案還控制 AFE 設(shè)置，以優(yōu)化信號(hào)質(zhì)量（存在電噪聲的情況下）和功耗，這對(duì)于可穿戴設(shè)備的連續(xù)心率監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。該算法在監(jiān)測(cè)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(cè)等。該算法在活動(dòng)分類（休息、步行、跑步、騎自行車）和計(jì)步方面也非常成功。

審核編輯：郭婷