【可穿戴算法】-进阶-心率变异性分析

在前几篇文章中，详细介绍了基于PPG信号的心率、血氧、血压检测原理，不了解的同学可以往前翻翻看。为了更好的了解人体身体状态，我们还需要进一步从PPG信号中获取更多有用信息，其中心率变异性HRV就是是一种量测连续心跳速率变化程度的方法，运用心率变异来分析自律神经平衡的状态。

1.HRV心率变异性分析简介

心率变异度分析，其计算方式主要是分析借由心电图或脉搏量测所得到的心跳与心跳间隔的时间序列。心率变异分析亦被发现可作为预测发生心肌梗塞后的死亡率的指标及预测末期肝癌病患的预后。如糖尿病性神经病变、心肌梗塞（MI）、充血性心力衰竭（CHF）等。

HRV与HR

区别

心率HR表示每分钟平均的心跳次数,单位是s；HRV表示的是连续心跳间隔，单位为ms

使用场景

运动时最好使用心率。它是训练心血管系统或实时监测训练对心血管系统影响的重要工具。
HRV最适用于休息状态（通常是早上的第一件事或休息的活动，如冥想）。它是了解整体健康状况，恢复力和耐受各种压力的能力的重要工具。

已往研究显示，HRV 降低的原因多为交感神经张力增高，可降低室颤阈，与心血管等疾病的死亡率及发病率升高等不良预后相关；HRV 升高的原因副交感神经张力增高，提高室颤阈，有心脏保护作用。

自律神经系统：交感神经与副交感神经

交感神经：心率增加，收缩力增强，传导加快；
副交感神经：心率降低，传导减慢

交感神经的作用是促使心跳加快、呼吸加速、胃肠蠕动变慢、体温上升、大量流汗、血压升高等，导致身体的主要系统的活动力增加，以便应付外来的紧急状况，例如：压力、焦虑、紧张、恐慌等等。交感神经主导活动。

副交感神经的作用则是与交感神经相反，促使心跳变慢、呼吸缓慢、肠胃蠕动变快、血压下降、导致主要的系统活动力降低，配合身体的休息与睡眠的状态。副交感神经主导休息。

2.HRV的分析方法

心率变异分析最常用以计算的为心电图中的R波，借由量测RR之间的时间间隔，成为一组数列，再进一步计算与分析。其模式可再依时域（或称为时间域，Time domain）、频域（或称为频率域，Frequency domain）来分析。心率变异分析通常排除心律不整等节律明显异常的病例，而是针对在正常节律下的的些微心率差异进行研究。

时域方法

1996年，欧洲心脏病学会（ESC）特别小组和美国心脏起搏和电生理学会（NASPE）定义和确立了HRV的测量标准、生理学解释和临床应用。

时域分析参数：

SDNN (Standard deviation of NN intervals)，通常计算24小时正常心跳间距之标准差；单位为毫秒。
SDANN (Standard deviation of the average NN intervals) ，通常以五分钟等分连续的时段，先计算每五分钟心跳间期的平均值，再计算平均间期的标准差；单位为毫秒。
NN50 (Number of pairs of successive NNs that differ by more than 50 ms)，心电图中所有每对相邻正常心跳时间间隔，差距超过50毫秒的数目。
pNN50 (Proportion of NN50 divided by total number of NNs)，NN50数目除以量测之心电图中所有的正常心跳间隔总数。
RMSSD 全部相邻NN周期差值的均方根。
MeanNN 窦性RR间期的平均值。

正常指标范围：

对于心率变异性正常值，首先全部窦性心博，R-R间期简称NN间期，它的单位是毫秒，正常的参考值是141加减39，另一种标准值是141.7加减29.2。R-R间期平均值的标准差，单位也为毫秒，它的正常参考值是130.9加减28.3。相邻回的R-R间期差值的均方根，正常参考值答是39.0加减15.0。相邻的NN之差大于50毫秒的个数占总窦性心搏的个数的百分比，正常参考值是16.7加减12.3，这样一个正常范围值。

频域方法

频域分析参数：

利用离散傅立叶变换将心跳间隔的时间序列转换为频域，以功率频谱密度或是频谱分布(Spectral distribution)的方式表现。
一般心率变异讯号的频谱分析使用200至500连续心跳间期稳定记录表现，因此记录需要数分钟的时间。

一般的心跳间期频谱频率出现在1赫兹以下，在0到0.4赫兹的范围内可找到数个波峰。主要为高频区(0.15-0.40赫兹)及低频区(0.04-0.15赫兹)。高频区通常反映副交感神经的活性，低频区同时受到交感与副交感神经系统的调控.

3.HRV的应用

HRV测试提供了自律神经活性、累积性身体和精神压力评估的可能性。

慢性身体压力和累积性精神压力是传统的健康风险因素，引发危及生命的特定疾病的发展。精神压力指数表示身体对每天施加于身体的内部和外部压力源的适应性。心理压力指数指示ANS自律神经系统的功能。这代表目前身体正在经历的压力水平。如果抗压能力低下，它可能导致身体问题和疾病。身体压力指数代表细胞水平的身体疲劳或活动水平。