柔性智能心率服可靠性评价方法

张予希，赵艳娇，孔维良，刘晓元，葛爱雄，刘丽芳

(1.东华大学纺织学院，上海 201620；2.新兴际华(北京)材料技术研究院有限公司，北京 100071)

0 引言

柔性智能心率服是一种可以对人体心电信息进行实时监测的智能服装，其原理是将心电信息采集系统与服装相结合，依靠电极收集人体心电数据[1－2]。 监测数据的可靠性是判断心率服优劣的重要指标，虽然市面上相应产品的种类繁多，但对其可靠性缺乏统一的评价标准，且评价方法不完善，严重制约了行业发展。 目前国内外对于心率检测功能设备的准确性评价的主要方法是通过外界输入规定电信号，与心率监测设备输出数据比较分析，检验心率设备的阻抗、响应时间、误差范围等指标[3－5]。 但这种评价方法适用对象为心电仪，心电图机和心电监护仪等专业测量心电数据的仪器，而心率服作为一个综合属性的产品，除心率采集与处理系统的测试准确性之外，影响其准确度的因素还有很多，包括与皮肤接触状况、柔性传感器信号传输能力、测量位置等，因此对其可靠性的评价尤为重要。 本文借鉴目前真人试验常用的三种评价方法:平均值分析法、相关性检验分析法和均方根误差分析法[6－7]，选用市面上常见的两款心率服，采用真人试穿试验测试静态与动态下的心率数据，然后利用上述三种方法进行对比分析，优选出柔性心率服可靠性的评价方法。

1 试验

1.1 样品

采用淘宝上购买的两款心率服，规格参数如表1 所示。

表1 心率服规格参数

表2 测试对象基本信息

1.2 试验设备

Polar H9 心率带(北京博浩通科技发展有限责任公司)，可显示实时心率、平均心率、最高心率等参数，心率测量范围30 bpm~240 bpm；跑步机(南通铁人运动用品有限公司)，型号为IRMT1501TV。

1.3 试验对象

测试对象为4 名健康男性大学生(年龄24±1岁，身高175±5 cm，体重65±5 kg)，4 名志愿者胸围在心率服推荐尺码范围内，将测试对象编号为P1－P4。

1.4 试验流程

试验开始前，预先告知测试对象两款心率服和心率带的使用方法及试验流程；同时要求测试对象保持良好的身体状况，包括充足睡眠、正常饮食等，以降低人为误差。 试验总共分为静态试验与动态试验两部分:

(1)静态试验

静态心率是指人体在清醒、无干扰、情绪放松、静止状态下每分钟的心跳次数，本试验选择日常生活中必不可少的静坐与平躺两种状态进行测试。测试过程为:1)测试对象首先按说明书要求穿戴Polar H9 心率和心率服样品带并调试好设备，手机APP 端正常显示心率数值即表示设备与人体接触良好；2)测试静坐状态心率时，上半身保持直立，双手放在桌面齐胸位置，平视前方，腰部挺直，膝盖呈自然状态保持与大腿90°夹角，双脚触地；测试平躺状态心率时，身体躺直，双手自然放在两侧，双腿伸直放松，保持平静稳定状态；测试对象先静坐或平躺10 分钟待心率平稳后再开始记录心率值，测试时间为1 min，期间要保持周围环境稳定；3)更换心率服，重复上述两个步骤；依次测量4 名测试对象的心率值；每个样品测试3 次取平均值，以两款心率服测得的数据为测试值，以Polar H9 心率带测得的数据为对照值。

(2)动态试验

测试对象穿戴Polar H9 心率和心率服样品的要求与静态试验相同；然后先在跑步机上以3 km/h 速度行走5 min 充分热身；将跑步机速度调至6 km/h，坡度调至0，分别记录1 min 跑步过程中心率带与心率服测得的心率值；更换心率服，无需再次热身即直接开始测试，每个样品测试3 次取平均值；4 名测试对象依次完成试验，以两款心率服测得的数据为测试值，以Polar H9 心率带测得的数据为对照值。

2 结果与分析

图1、图2 为1 min 内心率服和心率带同步采集的心率值折线图。 总体来看，动态试验中P1 穿着SEM1(图1c)、P2 穿着SEM1(图1f)和SEM2(图2f)、P4 穿着SEM2(图2l)，静坐试验中P3 穿着SEM2(图2g)，这5 种情况下心率服与心率带的测试数据有较大差距，其余情况下两者的测试结果有较好的一致性，下面详细分析。

图1 测试对象穿着SEM1 心率数据图

图2 测试对象穿着SME2 心率数据图

2.1 平均值分析法

基于图1、图2 分别求得1 min 内心率服与心率带测试结果的平均值，并进一步计算两者的差值，如表3 所示。 对照图1、图2 及表3 发现，在动态时平均值之差与图1 和图2 中相应的数据有较好的一致性；在静坐与平躺两种状态下，4 名测试对象穿着2 种样品的心率测试值与对照值的平均值之差均较小，但对照图1 和图2 的相应折线图可以发现，图1(g、h)和图2(a、e、g)的实时心率测试值和对照值有较大误差；此外，如图1(e)所示，P2穿着SEM1 平躺状态下实时心率测试值与对照值最大偏差达到15 bpm，但在表3 中两者的平均值完全相同；由此可见，利用平均值分析法评价心率服的可靠性会出现误差，这是因为，利用平均值分析法只能得到一段时间(1 min)内的平均心率值，而无法反映穿着者的实时心率值。 因此，平均值分析法无法实时反映心率服的测试结果，不适用于评价心率服的可靠性。

表3 心率测试值与对照值平均值之差

2.2 相关性检验分析法

采用SPSS 软件对心率测试值和对照值进行相关性检验分析，假设H0:u1≠u2，H1:u1＝u2(u1为心率测试值，u2为心率对照值)，假定两组数据没有显著线性关系，显著水平a ＝0.05，分析数据如表4所示。

表4 心率测试值与对照值相关性分析

表4中有6 组数据与标准值无显著线性关系，分别为P1 穿着SEM1 静坐和平躺状态，P1 穿着SEM2 静坐状态，P2 穿着SEM1 静坐状态和平躺状态，以及P3 穿着SEM1 静坐状态；而另外18 组数据有显著线性关系。 而对照图1 和图2 发现，图1(b)和图1(d)的数据有显著线性关系；而图1(c)和图1(f)，图2(f)、图2(g)和图2(i)中的数据有显著差异，这说明相关性检验分析法得出的结论与实测结果有差异，不适用于评价心率服的可靠性。

2.3 均方根误差分析法

YY 0784－2010«医用电气设备医用脉搏血氧仪设备基本安全和主要性能专用要求»中，采用均方根误差分析法评价血氧饱和度测试结果的准确度[8]，该值越低，说明测量数据越准确。 计算方法为:

式中:Arms为均方根误差；xi为心率测试值；xb为心率对照值；n为测试次数。

本试验参照该方法，利用公式(1)分别计算心率测试值与对照值的均方根误差，如表5 所示。 对照图1、图2 发现，表5 中心率测试值与对照值的均方根误差与图1 和图2 的数据有较好的一致性，如均方根误差最大的组为P2 穿着SEM2 动态(图2(f))，P4 穿着SEM2 动态(图2(l))、P1 穿着SEM1动态(图1(c))，与折线图直观现象结论一致。 均方根误差计算中通过将心率测试值与对照值差值平方，避免了由于差值正负号使平均值为零的情况，能够反映出心率的实时测试值；由此可见，均方根误差分析法能够更加准确地反映数据偏离程度。因此，均方根误差分析法适合于评价心率服的可靠性。

表5 心率测试值与对照值均方根误差计算结果

3 结论

(1)平均值分析法无法真实反映实时心率值的变化情况，造成判断出错，不适用于评价心率服的可靠性；

(2)相关性检验分析法得出的结论与实测值存在偏差，也不适用于评价心率服的可靠性；

(3)均方根误差分析法能准确反应心率测试值与对照值的偏差，计算结果与实测结果相符，更适合作为心率服可靠性的评价方法。