女子步行及跑步狀態(tài)心率監(jiān)測位置研究

楊子田，陳藝娟，郭蕓鑫

(1. 東華大學 服裝與藝術(shù)設(shè)計學院，上海 長寧區(qū) 200050； 2. 盛時裝有限公司，緬甸 克欽邦)

心率是研究心臟功能和病理的重要參數(shù)，心率監(jiān)測不僅廣泛應(yīng)用于心臟病治療和家庭日常保健，也逐漸受到體育運動領(lǐng)域的日益重視. 全民健身的今天，心率監(jiān)測已廣泛運用于健身運動[1]. 運動心率監(jiān)測可為運動者心率監(jiān)測需求提供便捷可行的途徑. 通過對心率動態(tài)變化的實時監(jiān)控和個性化的心率負荷指標，對運動過程進行心率檢測，以達到輔助調(diào)整運動強度、制定并完成健身運動計劃,從而達到理想鍛煉效果的目的[2].

心率的變化與運動負荷變化之間極其明確的因果關(guān)系使得其在運動領(lǐng)域得到了廣泛的運用. 本文基于心率監(jiān)測的相關(guān)醫(yī)學知識，通過實驗研究步行與跑步狀態(tài)下的最佳心率監(jiān)測位置.

1 心率監(jiān)測設(shè)備與方法

目前市場上除了常見的監(jiān)測心率的運動手環(huán)等智能可穿戴產(chǎn)品外，還有針對不同群體對象的心率檢測設(shè)備，如家用便攜式心率監(jiān)測器，為患者提供安全、便捷的實時監(jiān)測心率[3]. 隨著醫(yī)療服裝的商業(yè)化發(fā)展，普通家庭的健康監(jiān)護必定會成為主流趨勢[4]. 針對游戲玩家和電腦使用者的藍牙監(jiān)測心率貼片采用反射式光電傳感器照射拇指來采集心率[5]； 紐扣式無線心率監(jiān)測系統(tǒng)采用光電容積法來獲取心率信號，設(shè)備可像配飾一樣佩戴[6]. 多樣的產(chǎn)品一定程度上滿足了人們對自身健康管理的需求，卻存在運動時佩戴不便、易丟失等問題. 故將監(jiān)測設(shè)備與服裝相結(jié)合將是未來運動心率監(jiān)測發(fā)展的方向. 涂亞慶等人提出一種光電式可穿戴設(shè)備的心率檢測方法，相比于其他智能穿戴設(shè)備的心率檢測方法，其魯棒性更強、測量精度較好[7]； 劉狀等人設(shè)計的可穿戴式心率檢測設(shè)備能夠減弱運動對心率數(shù)據(jù)及波形的影響，從而使得到的數(shù)據(jù)更加準確、波形更加穩(wěn)定[8].

本文基于光電體積法監(jiān)測心率來探索心率檢測模塊的最佳監(jiān)測位置. 光電體積法原理在于產(chǎn)品背面與皮膚接觸處的綠色 LED燈，搭配感光光電二極管照射血管，根據(jù)伴隨著血流量變化而變化的綠光吸收量再根據(jù)心臟跳動時和跳動間隙所反射的波動值不同，以此來測量心率[9].

通過對可監(jiān)測心率的產(chǎn)品進行市場調(diào)研，選用基于 CPU芯片的心率監(jiān)測系統(tǒng)作為實驗用監(jiān)測模塊，該系統(tǒng)較為穩(wěn)定，且小型可拆卸.

2 心率監(jiān)測位置篩選預(yù)實驗

2.1 心率監(jiān)測基礎(chǔ)位置

參考臨床醫(yī)療中應(yīng)用較廣的非創(chuàng)傷性監(jiān)測心率變異動態(tài)心電圖 Holter[10]的電極位置，采用如圖 1 所示的主要集中在上半身前軀干的電極位置作為預(yù)實驗心率監(jiān)測的位置. 在3個組合 24 個電極粘貼位置中，存在7個相同的粘貼位置，去除后將其余 17 個電極位置設(shè)為初步監(jiān)測心率的位置，具體位置如圖 1 所示.

圖 1 預(yù)實驗心率監(jiān)測位置Fig.1 Monitoring positions of preliminary experiment

2.2 實驗準備

以本文所選取的 17 個貼電極位置作為監(jiān)測心率的基本位置，在步行和跑步動作下監(jiān)測心率，篩選出心率監(jiān)測的有效位置.

1) 實驗環(huán)境：室溫 24～26 ℃ ，相對濕度 65%±2%的恒溫恒壓室內(nèi).

2) 實驗對象：一名年齡 22 歲且身體健康的青年女性.

3) 實驗樣衣：普通高領(lǐng)貼體衣(棉/萊卡含量為 95/5%)

4) 實驗儀器：健身用跑步機、用于監(jiān)測心率值的兩種儀器以及心率監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示終端.

① S 標準心率監(jiān)測儀：小型手腕式 OMRON 智能電子血壓計[7-9]，能同時監(jiān)測血壓和脈搏，并讀取顯示屏顯示數(shù)據(jù)；

② R實驗心率監(jiān)測儀：基于 TICC2541F256RHAR 型號 CPU 芯片的心率監(jiān)測模塊.

5) 實驗動作和運動條件

步行時，跑步機設(shè)置為：坡度設(shè)為 0%，固定速度為 4 km/h； 跑步時，跑步機設(shè)置為：坡度設(shè)為 4%，固定速度為8 km/h.

2.3 實驗方案

用醫(yī)用膠帶將R監(jiān)測儀固定在人體對應(yīng)位置上，并據(jù)此在服裝上作好標記，在相應(yīng)的標記上縫制小口袋來最終放置R檢測儀. 每個R監(jiān)測儀都與相應(yīng)的移動設(shè)備終端連接.

實驗時讀取 S 監(jiān)測儀顯示的心率，記為標準值，同時用 R 監(jiān)測儀按順序在 17 個檢測位置進行心率檢測. 每組檢測結(jié)束后，待受試者心率恢復(fù)至靜息心率再進行下一組實驗.

2.4 預(yù)實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

對采用預(yù)處理后的有效數(shù)據(jù)進行SPSS簡單相關(guān)性分析，獲得所有監(jiān)測位置實驗監(jiān)測值與標準監(jiān)測值的Pearson相關(guān)性，篩選有效監(jiān)測位置.

3 心率監(jiān)測模塊最佳位置研究

選取身高155～168 cm、體重為49～64 kg且無心臟相關(guān)疾病的身體健康的女大學生作為受試者，對10名受試者進行實驗. 根據(jù)預(yù)實驗兩個動作篩選出的有效位置，分別對比兩種監(jiān)測儀測得的心率值，進而篩選監(jiān)測心率的最佳位置.

在相同的實驗條件下，展開正式實驗. 采用預(yù)實驗所得步行與跑步的兩種動作基本監(jiān)測位置作為正式實驗監(jiān)測點，具體位置如圖 2、表 1 所示.

a. S1，S16，S17為步行狀態(tài)時監(jiān)測位置

b. S1，S6為跑步狀態(tài)時監(jiān)測位置

監(jiān)測位置編號人體相應(yīng)位置S1左腋中線平第五肋間處S6胸骨柄S16胸骨左緣第4肋和左鎖骨中線第5肋連線的中點S17左腋前線第5肋

3.1 單樣本K-S檢驗分析和相關(guān)性分析

對實驗數(shù)據(jù)進行單樣本K-S檢驗，置信度95%，P=0.05. 步行和跑步實驗數(shù)據(jù)檢驗的雙側(cè)顯著性水平P均大于0.05的臨界值，說明都屬于正態(tài)分布.

在步行動作下，S1和S17位置上所監(jiān)測到的心率值和標準心率值的相關(guān)系數(shù)為0.494，0.309. 呈顯著性相關(guān)； 在跑步動作下，S6位置所監(jiān)測的心率值和標準心率值之間具有顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.314.

3.2 步行和跑步狀態(tài)下監(jiān)測值與標準值的回歸方程

由實驗數(shù)據(jù)可知，兩種運動狀態(tài)下，相應(yīng)的監(jiān)測位置心率檢測值和標準值之間均存在相關(guān)關(guān)系，因此立相關(guān)公式.

步行狀態(tài)標準值和監(jiān)測值之間的關(guān)系回歸方程為

yW=45.077+0.346xa+0.161xb.(1)

跑步狀態(tài)標準值和監(jiān)測值之間的關(guān)系回歸方程為

yR=104.493+0.206xc.(2)

4 心率監(jiān)測數(shù)學模型的驗證

按照相同實驗條件與要求，隨機抽取原實驗中的兩名受試者進行驗證實驗，確定建立的數(shù)學模型可靠性. 每個實驗對象各個動作進行兩次實驗.

4.1 回歸模型驗證

將在各個動作下最佳位置監(jiān)測的新監(jiān)測值代入數(shù)學模型.

1) 步行動作下，最佳監(jiān)測位置S1和S17上所監(jiān)測到的心率值記為xa和xb，代入式(1)得出計算值yw，如表 2 所示.

表 2 步行狀態(tài)下回歸方程計算表

2) 跑步動作下，最佳監(jiān)測位置S6所監(jiān)測到的心率值記為xc，代入式(2)得出計算值yR，如表 3 所示.

表 3 跑步狀態(tài)下回歸方程計算表

4.2 計算標準心率值與實驗監(jiān)測標準心率值對比分析

在步行和跑步狀態(tài)下，經(jīng)過數(shù)學模型得到的計算心率值記為yw1和yR1，實驗監(jiān)測的心率值分別記為為yW′和yR′. 兩種運動狀態(tài)下對應(yīng)數(shù)值匯總表如表 4，表 5 所示.

表 4 步行狀態(tài)下模型計算心率值與實驗監(jiān)測心率值匯總表

表 5 跑步狀態(tài)下模型計算心率值與監(jiān)測標準心率值匯總表

通過Wilcoxon符號秩檢驗法與符號檢驗法兩種分析方法，驗證建立的回歸模型可靠性和有效性. 計算得出的心率值與實驗監(jiān)測的心率值之間沒有顯著性差異.

在跑步動作下，原假設(shè)模型計算的心率值與實驗心率值之間差異的中位數(shù)等于0，符號檢驗p值為0.625，大于0.05； 原假設(shè)實驗心率值與模型計算心率值之間差異的中位數(shù)等于0，用Wilcoxon符號秩檢驗得出p值為0.465，大于0.05，可以看出模型心率值與實驗心率值之間無顯著性差異.

通過符號檢驗法與Wilcoxon符號秩檢驗分析，得出回歸方程計算的標準心率值和實驗監(jiān)測的標準心率值之間無顯著性差異，即兩種運動狀態(tài)下回歸模型都是可靠的.

5 結(jié) 論

經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)分析，得出如下結(jié)論：

1) 通過預(yù)實驗，在選用的17個基礎(chǔ)監(jiān)測位置上監(jiān)測得到的心率值中，分析得出具有相關(guān)性的有效監(jiān)測位置；

2) 在篩選出的有效監(jiān)測位置基礎(chǔ)上，擴大樣本量進一步實驗獲取心率監(jiān)測最佳位置. 在步行狀態(tài)下心率監(jiān)測的最佳位置為S1和S17； 在跑步狀態(tài)下心率監(jiān)測的最佳位置為S6.

3) 采用回歸分析方法處理步行和跑步運動狀態(tài)下對應(yīng)監(jiān)測位置的心率值與實際心率值，進行回歸分析，得出兩者之間的回歸方程式(1)和式(2).

最終通過Wilcoxon符號等級檢驗法與符號檢驗法驗證S1, S6和S17 3個監(jiān)測位置的監(jiān)測模型是有效的.