柔性智能心率服可靠性評價方法

張予希，趙艷嬌，孔維良，劉曉元，葛愛雄，劉麗芳

(1.東華大學紡織學院，上海 201620；2.新興際華(北京)材料技術研究院有限公司，北京 100071)

0 引言

柔性智能心率服是一種可以對人體心電信息進行實時監測的智能服裝，其原理是將心電信息采集系統與服裝相結合，依靠電極收集人體心電數據[1－2]。 監測數據的可靠性是判斷心率服優劣的重要指標，雖然市面上相應產品的種類繁多，但對其可靠性缺乏統一的評價標準，且評價方法不完善，嚴重制約了行業發展。 目前國內外對于心率檢測功能設備的準確性評價的主要方法是通過外界輸入規定電信號，與心率監測設備輸出數據比較分析，檢驗心率設備的阻抗、響應時間、誤差范圍等指標[3－5]。 但這種評價方法適用對象為心電儀，心電圖機和心電監護儀等專業測量心電數據的儀器，而心率服作為一個綜合屬性的產品，除心率采集與處理系統的測試準確性之外，影響其準確度的因素還有很多，包括與皮膚接觸狀況、柔性傳感器信號傳輸能力、測量位置等，因此對其可靠性的評價尤為重要。 本文借鑒目前真人試驗常用的三種評價方法:平均值分析法、相關性檢驗分析法和均方根誤差分析法[6－7]，選用市面上常見的兩款心率服，采用真人試穿試驗測試靜態與動態下的心率數據，然后利用上述三種方法進行對比分析，優選出柔性心率服可靠性的評價方法。

1 試驗

1.1 樣品

采用淘寶上購買的兩款心率服，規格參數如表1 所示。

表1 心率服規格參數

表2 測試對象基本信息

1.2 試驗設備

Polar H9 心率帶(北京博浩通科技發展有限責任公司)，可顯示實時心率、平均心率、最高心率等參數，心率測量范圍30 bpm~240 bpm；跑步機(南通鐵人運動用品有限公司)，型號為IRMT1501TV。

1.3 試驗對象

測試對象為4 名健康男性大學生(年齡24±1歲，身高175±5 cm，體重65±5 kg)，4 名志愿者胸圍在心率服推薦尺碼范圍內，將測試對象編號為P1－P4。

1.4 試驗流程

試驗開始前，預先告知測試對象兩款心率服和心率帶的使用方法及試驗流程；同時要求測試對象保持良好的身體狀況，包括充足睡眠、正常飲食等，以降低人為誤差。 試驗總共分為靜態試驗與動態試驗兩部分:

(1)靜態試驗

靜態心率是指人體在清醒、無干擾、情緒放松、靜止狀態下每分鐘的心跳次數，本試驗選擇日常生活中必不可少的靜坐與平躺兩種狀態進行測試。測試過程為:1)測試對象首先按說明書要求穿戴Polar H9 心率和心率服樣品帶并調試好設備，手機APP 端正常顯示心率數值即表示設備與人體接觸良好；2)測試靜坐狀態心率時，上半身保持直立，雙手放在桌面齊胸位置，平視前方，腰部挺直，膝蓋呈自然狀態保持與大腿90°夾角，雙腳觸地；測試平躺狀態心率時，身體躺直，雙手自然放在兩側，雙腿伸直放松，保持平靜穩定狀態；測試對象先靜坐或平躺10 分鐘待心率平穩后再開始記錄心率值，測試時間為1 min，期間要保持周圍環境穩定；3)更換心率服，重復上述兩個步驟；依次測量4 名測試對象的心率值；每個樣品測試3 次取平均值，以兩款心率服測得的數據為測試值，以Polar H9 心率帶測得的數據為對照值。

(2)動態試驗

測試對象穿戴Polar H9 心率和心率服樣品的要求與靜態試驗相同；然后先在跑步機上以3 km/h 速度行走5 min 充分熱身；將跑步機速度調至6 km/h，坡度調至0，分別記錄1 min 跑步過程中心率帶與心率服測得的心率值；更換心率服，無需再次熱身即直接開始測試，每個樣品測試3 次取平均值；4 名測試對象依次完成試驗，以兩款心率服測得的數據為測試值，以Polar H9 心率帶測得的數據為對照值。

2 結果與分析

圖1、圖2 為1 min 內心率服和心率帶同步采集的心率值折線圖。 總體來看，動態試驗中P1 穿著SEM1(圖1c)、P2 穿著SEM1(圖1f)和SEM2(圖2f)、P4 穿著SEM2(圖2l)，靜坐試驗中P3 穿著SEM2(圖2g)，這5 種情況下心率服與心率帶的測試數據有較大差距，其余情況下兩者的測試結果有較好的一致性，下面詳細分析。

圖1 測試對象穿著SEM1 心率數據圖

圖2 測試對象穿著SME2 心率數據圖

2.1 平均值分析法

基于圖1、圖2 分別求得1 min 內心率服與心率帶測試結果的平均值，并進一步計算兩者的差值，如表3 所示。 對照圖1、圖2 及表3 發現，在動態時平均值之差與圖1 和圖2 中相應的數據有較好的一致性；在靜坐與平躺兩種狀態下，4 名測試對象穿著2 種樣品的心率測試值與對照值的平均值之差均較小，但對照圖1 和圖2 的相應折線圖可以發現，圖1(g、h)和圖2(a、e、g)的實時心率測試值和對照值有較大誤差；此外，如圖1(e)所示，P2穿著SEM1 平躺狀態下實時心率測試值與對照值最大偏差達到15 bpm，但在表3 中兩者的平均值完全相同；由此可見，利用平均值分析法評價心率服的可靠性會出現誤差，這是因為，利用平均值分析法只能得到一段時間(1 min)內的平均心率值，而無法反映穿著者的實時心率值。 因此，平均值分析法無法實時反映心率服的測試結果，不適用于評價心率服的可靠性。

表3 心率測試值與對照值平均值之差

2.2 相關性檢驗分析法

采用SPSS 軟件對心率測試值和對照值進行相關性檢驗分析，假設H0:u1≠u2，H1:u1＝u2(u1為心率測試值，u2為心率對照值)，假定兩組數據沒有顯著線性關系，顯著水平a ＝0.05，分析數據如表4所示。

表4 心率測試值與對照值相關性分析

表4中有6 組數據與標準值無顯著線性關系，分別為P1 穿著SEM1 靜坐和平躺狀態，P1 穿著SEM2 靜坐狀態，P2 穿著SEM1 靜坐狀態和平躺狀態，以及P3 穿著SEM1 靜坐狀態；而另外18 組數據有顯著線性關系。 而對照圖1 和圖2 發現，圖1(b)和圖1(d)的數據有顯著線性關系；而圖1(c)和圖1(f)，圖2(f)、圖2(g)和圖2(i)中的數據有顯著差異，這說明相關性檢驗分析法得出的結論與實測結果有差異，不適用于評價心率服的可靠性。

2.3 均方根誤差分析法

YY 0784－2010?醫用電氣設備醫用脈搏血氧儀設備基本安全和主要性能專用要求?中，采用均方根誤差分析法評價血氧飽和度測試結果的準確度[8]，該值越低，說明測量數據越準確。 計算方法為:

式中:Arms為均方根誤差；xi為心率測試值；xb為心率對照值；n為測試次數。

本試驗參照該方法，利用公式(1)分別計算心率測試值與對照值的均方根誤差，如表5 所示。 對照圖1、圖2 發現，表5 中心率測試值與對照值的均方根誤差與圖1 和圖2 的數據有較好的一致性，如均方根誤差最大的組為P2 穿著SEM2 動態(圖2(f))，P4 穿著SEM2 動態(圖2(l))、P1 穿著SEM1動態(圖1(c))，與折線圖直觀現象結論一致。 均方根誤差計算中通過將心率測試值與對照值差值平方，避免了由于差值正負號使平均值為零的情況，能夠反映出心率的實時測試值；由此可見，均方根誤差分析法能夠更加準確地反映數據偏離程度。因此，均方根誤差分析法適合于評價心率服的可靠性。

表5 心率測試值與對照值均方根誤差計算結果

3 結論

(1)平均值分析法無法真實反映實時心率值的變化情況，造成判斷出錯，不適用于評價心率服的可靠性；

(2)相關性檢驗分析法得出的結論與實測值存在偏差，也不適用于評價心率服的可靠性；

(3)均方根誤差分析法能準確反應心率測試值與對照值的偏差，計算結果與實測結果相符，更適合作為心率服可靠性的評價方法。