精確度直追臨床心電圖     心率變化監測手環輕鬆實作

然而，ECG胸帶穿戴起來很麻煩、不舒服且非常昂貴，因而只適用於醫療設施和高階運動器材。這意謂著，就現階段而言，醫院範圍外的消費者要擁有連續性、全天候的心臟監測是一件不容易的事。對於患有慢性心臟病的患者而言，這種每周7天、每天24小時的心臟監測當然大有益處，即使對於只是想要掌握心率，特別是心率變化資訊的人而言，這同樣也是好處多多的，這些數據可以讓他們了解自己的身體和心理健康狀態。 

但是，如何透過一個方便、易於穿戴的裝置來獲得類似心電圖的心率變化數據呢？目前已有廠商提供較易於開發此類應用的感測器元件，例如奧地利微電子(ams)推出的AS7000生物感測器。其為一光學模組，體積非常小、非常薄，足以符合現今熱門穿戴裝置的外觀尺寸需求，像是智慧手表和健身手環等。高度整合的設計讓開發人員能夠針對手環提供更簡單、更舒適且更便宜的心率監測(HRM)，不再需要像以前的系統般使用多個離散元件。本文說明使用手環擷取連續性心率變化量測所遭遇的技術挑戰，並將其效能與取自ECG胸帶的參考標準進行比較。 

量測心率變化(HRV)　提供高度醫療參考價值 

心率監測主要是測量平均心率，通常以每分鐘的心跳次數表示，被稱為心率測量亦即HRM(Heart Rate Measurement)。然而還有另一個很重要的測量項目，就是採樣間隔內的速率變化，這被稱為心率變化(Heart Rate Variation, HRV)。 

就像聲學工程師透過揚聲器測量測試音的純度一樣，心臟病學家也對心率的純度和均勻性感到興趣(儘管就心跳而言，速率的均勻不必然是一件好事)。事實上，人的HRV模式受到諸如情緒狀態、心臟健康和睡眠狀態等因素的強烈影響，因此，對於有興趣關注長期生活方式和健康監測的人及臨床應用而言，HRV測量極具價值。 

透過身體上的電極測量心臟活動的ECG方法，會感測到從中樞神經系統產生、用以促使心臟內部肌肉收縮的電刺激。藉由測量每個電脈衝之間的間隔，可以取得HRV讀數。 

隨著心跳，會有一壓力波通過血管，這個波會稍微改變血管的直徑，HRM外的另一選擇──光體積變化描記圖法(Photoplethysmography, PPG)就是利用這個變化。PPG的原理是，每次心跳時，血管的收縮和擴張都會影響光的透射(例如在透射PPG中，通過指尖的光線)；或是光的反射(例如在反射PPG中，來自手腕表面附近的光線)。 

當然，PPG實際測量的是脈搏率和脈搏率變化(PRV)，而非測量直接發生在心臟的電流活動。然而，PRV和HRV能夠將訊號隨時間的波動加以量化，且醫學研究顯示HRV和PRV具有非常密切的關聯性(ρI>0.97)。 

再者，反射PPG似乎能在手環中實現脈搏率和脈搏率變化的測量，而這正是AS7000的應用目標。該感測模組結合兩個LED光源、一個高靈敏度的光電二極體(光感測器)、用於訊號調節和放大的類比前端(AFE)，以及一個小型嵌入式處理器，能將原始反射光訊號轉換為數位脈搏率測量。 

然而，反射PPG所產生的訊號性質，卻讓脈搏率變化測量變得非常困難。圖1顯示使用三個肢鉗電極獲得的ECG訊號；圖2顯示在手環上取得的光學PPG訊號。ECG訊號中的波動稱為R波。為了測量心率變化，感測器測量R波的波峰之間的時間(稱為RR間隔)。如圖1所示，這些波峰尖銳且狹窄。即使是在吵雜訊號中，也不難量出RR間隔的時間。 

圖1 ECG訊號顯示每個心跳的波峰。x軸顯示時間(以秒為單位)。

為了測量PRV，峰和峰之間的間隔也必須算出時間。然而，如圖2所示，PPG波形中的波峰更淺且更平坦，所以要精確測量是比較困難的，即使是在穩定(雜訊極低)的條件下也是一樣。因動作產生的雜訊更難以和PPG波峰區別，因此運動會使得PRV測量更難以完成。 

圖2 每一次心跳的PPG訊號波峰都比ECG訊號的波峰更平坦，也更不明確。x軸顯示時間(以秒為單位)。

針對電氣/光學/機械元件　進行設計最佳化 

在手環的情況中，即使是極為輕微的移動都會產生人為雜訊，例如，一些手指動作會造成手環光感測器下方的肌腱發生伸展或收縮，而這些都會對PPG訊號造成顯著影響。此外，手環本身的任何移動都會稍微改變皮膚上感測器的壓力。因此，只有在使用者完全靜止時，手環才能在採樣間隔期間取得可靠的PRV測量。 

就算使用者保持靜止，測量裝置要取得的訊號依然強度極低，而且還須可靠地區別雜訊和訊號，然後精確地偵測出具有圖2所示平滑波形之訊號的波峰。這就需要針對手環的電氣、光學和機械元件進行最佳化。 

手環設計人員可受益於AS7000既有的低雜訊和高靈敏度類比電路，這是來自其專有半導體製造技術。此外該元件還採用其他特定的設計技術，例如LED輸出的調變和解調變，以及針對調變頻率最佳化的放大器，這能降低雜訊，卻不會對功耗造成太大影響。AS7000還包括濾波器，可以減少感測器的頻寬，同樣是為了消除雜訊。 

原廠還為整個系統的光機設計提供詳細的準則。完整的指南說明手環及裝置外覆的設計和材質，目標就是要讓裝置能以緊密但舒適的方式緊貼使用者的皮膚。這些準則確保運動引起的雜訊能維持在最低程度。最後，AS7000中還提供了能將PPG訊號轉換為一組PRV峰至峰時間的演算法。連接主機的I2C介面能提供以毫秒為單位的PRV時間，為手環的PRV測量提供了完整的硬體和軟體解決方案。 

挑戰參考測量差異　與心電圖讀數作比較 

然而，採用AS7000的手環能否能實現精確的PRV測量？為了評估AS7000的PRV測量效能，在此將其與黃金參考標準─由ECG擷取的HRV測量－進行比較。測試裝置包括戴在手腕上的手環(圖3)，其中的AS7000模組以毫秒計算PRV輸出，並透過藍牙無線介面將數據發送至用來記錄數據的手機。相同的受試者穿戴著肢鉗電極以擷取ECG訊號。ECG訊號中的RR峰以離線方式計算。 

圖3 HRM/HRV量測系統，手環中使用AS7000元件。

這兩組測量能以三種方式進行比較。圖4為直接比較HRV(ECG)測量與AS7000擷取的PRV(PPG)測量。兩條曲線的匹配程度極高，這說明AS7000的輸出非常接近參考輸出。該比較也能以散點圖的形式呈現(圖5)。圖4和圖5顯示由AS7000所執行的PRV測量，與參考HRV測量之間僅存在些許差異。接下來應該確認的是，這樣的差異是否具有統計意義。 

圖4 HRV和PRV測量的匹配程度極高。x軸顯示以毫秒為單位的 時間。

圖5 以散點圖形式呈現AS7000 PRV輸出和參考輸出。

醫學界通常使用Bland-Altman圖來比較黃金標準測量與新測量，並確定兩者之間的差異是否顯著。該圖使用笛卡爾座標(Cartesian Coordinate)，其中x軸標記兩種方法的平均值，y軸標記差異，如圖6所示，每一數據點幾乎都在平均值的±1.96標準偏差內。根據公認的Bland-Altman方法，這意謂採用AS7000的手環所提供的PRV測量新方法和參考測量方法是可以互換的。 

圖6 PRV測量與參考測量結果的Bland-Altman圖顯示，數據點幾 乎都落在平均值的±1.96標準偏差內。

換言之，使用該設計方案的心率監測手環可以全天候穿戴，其所提供的PRV測量結果幾乎與使用黃金標準ECG裝置擷取的HRV測量一樣精確，且根據Bland-Altman分析，其同樣具有臨床有效性。 

這也就意謂著，方便舒適的手環所提供的PRV測量可用來指明壓力水平或睡眠品質等。這開啟了一個全新的終端使用者應用領域，受益於感測元件的創新，其提供的可靠、準確的心率測量將能成為我們日常生活中自然且方便的一部分。 

(本文作者皆任職於奧地利微電子，Peter Trattler為資深產品經理，Max Rosengarden為現場應用工程師)