节拍检测和HRV时间序列

对于心率变异性（HRV）分析，需要间期（IBI）数据。这些数据可以从心电图（ECG）记录中提取，作为连续ECG R波之间的时间间隔，即RR时间间隔。类似地，IBI数据可以从光体积描记术（PPG）记录中提取，作为连续脉动之间的时间间隔。下文将讨论节拍的检测、节拍检测的准确性和HRV时间序列的形成。

心率变异性分析的目的是检查自主神经系统调节的窦性心律。因此，应该从技术上检测SA节点动作电位的出现时间，它启动了每一次心跳。但在实际应用中，这是不可能的。相反，通过在皮肤接触处放置两个或多个电极来记录心电图（ECG），并从ECG中检测到心跳。与SA-节点放电相比，ECG中最近可观察到的活动是心房去极化产生的P波（见图1）。然而，P波的信噪比明显低于主要由心室去极化引起的强QRS波群。因此，心跳周期通常被评估为容易检测到的QRS波群之间的时间差。典型的QRS检测器由预处理部分和决策规则组成。在过去的几十年里，已经提出了几种不同的QRS检测器^{Thakor等人，1983年, Pahlm等人，1985年, Pan&Tompkins 1985年, Hamilton等人，1984年, Friesen等人，1990年}.

图1：心脏电生理（重新绘制自^{Malmivuo&Plonsey 1995年}). 显示了心脏中每个特殊细胞的不同波形。显示的潜伏期与正常心脏的潜伏期接近。

R波发生时间估计值的准确性通常要求为1–2 ms，因此，ECG的采样频率应至少为500–1000 Hz^{1996年工作队}如果ECG的采样频率小于500 Hz，R波出现时间的误差会对HRV分析结果，尤其是频谱估计造成严重失真^{Merri等人，1990年}如果心率的总体变异性很小，频谱的失真会更大^{Pinna等人，1994年}然而，通过插值QRS复数，例如使用三次样条插值，可以提高估计精度^{Daskalov等人，1997年}或一些基于模型的方法^{Bragge等人，2005年}.

图2：正常的PPG结束ECG信号以及脉冲传输时间（PTT）和脉冲到脉冲间隔（PP）的定义。

根据脉搏波速度和心脏的血管路径，每个QRS复合波与其对应脉搏波的开始之间存在延迟。这种延迟被称为脉冲传输时间（PTT），与血压、动脉硬化和年龄呈负相关。PTT中的生理变化导致PP间隔和RR间隔之间的偏差。由于PP和RR间期不相等，因此在使用PPG测量时，最好使用术语脉搏率变异性（PRV），而不是心率变异性（HRV）。PRV作为HRV估计值的可用性和准确性已被广泛研究。有关该主题的良好评论，请参阅^{Schafer等人2013年}，结束语如下：

• PRV作为HRV的估计值，已被证明仅对休息时的健康（大多数是年轻人）受试者来说是足够准确的。
• 适度的身体或精神压力往往会在一定程度上削弱PRV和HRV之间的一致性，这一点是可以接受的或是不可以接受的。
• 在身体更活跃的状态下，如行走或体育锻炼，PRV和HRV之间的一致性往往不足，主要是由于运动伪影。

Kubios HRV软件的脉搏波检测器基于匹配滤波方法。首先，使用代表脉冲波最陡部分的一阶导数的最大值进行初始脉冲位置估计。其次，利用初始脉冲构造脉冲波模板（和匹配滤波器）。通过将滤波后的信号与变化的阈值进行比较并比较模板和PPG信号之间的归一化误差来定义最终脉搏波位置的决定。模板和检测脉冲波之间允许的标准化误差可以在软件首选项中调整。也就是说，接受阈值百分比越小，脉冲波必须与模板越相似才能被接受。脉搏波检测算法的精度如图所示。3.左侧面板显示了Bland-Altman图，该图说明了静息测量期间检测到的PP间期和相应的RR间期之间的一致性。右侧面板显示了根据PP间期与RR间期时间序列估计的常用心率变异性参数的误差百分比。使用的数据集包含20名年龄范围较广（20至50岁）的健康志愿者。RR和PP间期之间的误差为-0.01±5.16 ms（平均值±SD）。心跳检测中的±5 ms误差对HRV参数产生了大约±10%的最大误差。

图3：从静息测量中提取的PP间期和RR间期之间的差异的Bland-Altman图（左轴）。与HRV时间序列（右轴）相比，根据PRV计算标准HRV参数的误差；其中红线表示中值，方框显示25-75个百分位，胡须显示最极端的误差值。

在已经检测到搏动发生时间（即QRS复合波或脉搏波基准点）之后，可以导出搏动间间隔（IBI）或HRV时间序列。这里我们将使用术语RR间期代替IBI，它是指连续ECG R波发生时间之间的时间间隔。这个n个‘第个RR间隔是R波发生时间RR之间的差值_n个=t吨_n个−吨_n-1个在某些情况下，当提及这些间隔时，也可以使用正常到正常（NN），这些间隔严格表示SA-节点去极化导致的连续QRS波群之间的间隔^{1996年工作队}在实际分析正常窦性心律时，NN和RR间隔是相同的，因此这里首选术语RR。

根据所有可用RR间隔构建的时间序列不是等距采样，而是作为时间的函数，即作为值（t_n个，右后_n个). 在频域分析之前，必须考虑到这一事实。一般来说，有三种不同的方法可以解决这个问题^{1996年工作队}.采用的最简单方法，例如^{Baselli等人，1987年}假设等距采样，并直接从RR间隔转速图（RR间隔是拍数的函数）计算频谱，见图4中间面板。然而，这种假设会导致频谱失真^{Mateo等人，2000年}。当与平均RR间隔长度相比，变异性较大时，这种失真变得很大。此外，频谱不能被视为频率的函数，而是每拍周期的函数^{DeBoer等人，1984年}，请参阅图5底部面板。插值方法的一种选择是三次样条插值^{Mateo等人，2000年}插值后，可以应用常规谱估计方法。第三种通用方法是应用方法，该方法是为分析非等距采样数据而设计的。例如，这种方法是Lomb-Scargle周期图，它计算非等距采样数据的周期图谱估计^{van Dongen等人，1999年}.

图4：从ECG导出两个HRV时间序列：间隔速度图（中间面板）和插值RR间隔序列（底部面板）。