日常生活中脈率變異性（PRV）的提取常常受到運動、血流灌注的影響，因此本文提出了在耳后進行脈搏信號檢測并提取 PRV 的方法，以提高日常 PRV 提取的準確性和穩定性。本文首先研制適合日常使用的耳后脈搏采集系統，其可通過藍牙將數據傳輸至安卓手機進行日常 PRV 提取。然后，根據日常生活狀態分別設計了靜止、運動、咀嚼、說話狀態下的 9 項試驗，并同步采集單導聯的心電信號和指部脈搏信號與耳后脈搏信號進行對比分析。根據信號波形、幅值、幅頻特性的研究結果表明，耳后脈搏信號比傳統采集于指部的脈搏信號穩定，且可保留更多的有效信息；從耳后脈搏信號中提取的 PRV 具有較高的準確率，9 項試驗的準確率均高于 98.000%。因此，本文設計的耳后提取 PRV 方法具有準確率高、穩定性好、便于日常使用等特點，可為日常無監督狀態下 PRV 的準確提取提供新的思路和途徑。
引用本文： 漆宇晟, 張愛華, 馬玉潤. 日常無監督狀態下的脈率變異性提取方法研究. 生物醫學工程學雜志, 2019, 36(2): 298-305. doi: 10.7507/1001-5515.201804015 復制
引言
心率變異性（heart rate variability，HRV）源于心臟的周期性搏動，是一種可反映人體體液調節和神經調節的非侵入式指標，臨床常用于心臟搏動狀態的檢測與監測[1-2]。HRV 可通過心電圖（electrocardiogram，ECG）中的 R-R 間期獲得。然而，ECG 信號的檢測需要復雜的導聯方式，且對電極的放置位置要求較高，不便實現日常的自主檢測。與此同時，電極需與皮膚直接接觸，長時間的佩戴使用易造成被測部位不適或過敏，因此制約了其在日常生活中的應用。
脈搏和 ECG 信號都源于心臟的周期性搏動，均可反映人體心臟的搏動狀態。有研究表明，從脈搏信號中提取的脈率變異性（pulse rate variability，PRV）信息可用于心臟健康狀態的評估[3-5]。與此同時，利用光電容積法（photoplethysmography，PPG）的脈搏信號檢測方法具有檢測方式簡易、檢測位置局限性小等特點[6-7]，便于實現心臟搏動狀態的檢測與監測。
近年來，已有學者對 PRV 信號的應用做了相關研究。Ye 等[8]使用 PRV 對慢性肌筋膜疼痛綜合征的疼痛強度進行了評估，Hernando 等[9]使用 PRV 和 HRV 進行高壓環境下自主神經系統的測量。上述 PRV 研究均是在靜止狀態下進行的，然而，日常生活中運動狀態是不可避免的。與此同時，Vandecasteele 等[10]在使用 PRV 信號進行癲癇發作檢測的研究中指出，運動偽跡造成 55% 的癲癇發作無法檢測。Pantelopoulos 等[11]使用 PRV 進行心房顫動的檢測，由于運動帶來的噪聲對分析造成較大的影響，因此其研究結果只適用于靜止狀態。綜上所述，在非靜止狀態下 PRV 的應用依然受到制約。
目前，PPG 信號的檢測通常選取人體指部，然而指部血流灌注狀態容易受到手臂按壓、環境溫度變化等外在因素的影響[12-13]，變化的血流灌注狀態降低了脈搏信號檢測的穩定性和可靠性。同時，指部作為最常用的身體結構之一，運動時脈搏傳感器與被測部位容易產生間隙或發生位移，導致脈搏信號中引入運動偽跡[14-15]。因為日常運動的無規律性，運動偽跡不僅會降低脈搏信號的質量，甚至會導致脈搏信號丟失基本的波形特征。血流灌注狀態和運動影響脈搏信號的穩定檢測，也會影響 PRV 的準確提取。與傳統選取指部進行脈搏信號的檢測方式相比，耳部具有血流灌注穩定、運動幅度小的特點[16-17]。因此，本文提出在耳后進行日常狀態下脈搏信號檢測及 PRV 提取方法，以減少運動和血流灌注狀態對 PRV 的影響。
根據本文所提日常狀態下脈搏信號 PRV 提取方法，首先研制了位于耳后的脈搏傳感器，構建信號檢測及發送設備，其次，根據日常生活狀態設計試驗，對指部與耳后脈搏信號檢測穩定性進行對比，并對提取于耳后脈搏 PRV 的準確率進行分析。最終，期望本文的研究結果能為日常無監督狀態下 PRV 的準確提取提供新的思路和途徑。
1 耳后脈搏檢測系統
如圖 1 所示，耳后脈搏檢測系統由耳后脈搏傳感器和信號檢測及發送設備組成。由于耳后脈搏信號較為微弱且易受干擾，通過預處理電路可提高耳后脈搏信號的信噪比。與此同時，本文采用微控制器單元（microcontroller unit，MCU）構成的信號檢測及發送設備對耳后脈搏信號進行檢測，并使用藍牙模塊將數據發送至安卓手機進行數據的顯示與處理[18]。如圖 2 所示，為耳后脈搏信號檢測系統實測圖。
圖1
耳后脈搏檢測系統框圖
Figure1.
The block diagram of post-ear pulse signal detection system
圖2
耳后脈搏信號檢測系統實測圖
Figure2.
Photograph of post-ear pulse signal detection system
1.1 耳后脈搏傳感器
現有的商用脈搏傳感器并不適用于耳后脈搏信號的檢測。因此，需根據耳部的結構和生理特點，研制能穩定檢測耳后脈搏信號的傳感器。
本文采用反射式光電脈搏傳感器（SON7015，松恩電子有限公司，中國）進行脈搏信號的檢測，其靈敏度高（發射管、接收管主要工作波長峰值均為 550 nm）、尺寸小（4.0 × 2.0 × 1.1 mm），便于實現耳后脈搏信號的檢測。
由于脈搏信號較為微弱，容易受到噪聲的影響，因此本文選取了包含一階有源低通濾波器和一階無源高通濾波器的預處理電路對脈搏信號進行放大、濾波處理。預處理電路放大倍數為 700 倍，通頻帶為 0.2～3.1 Hz。如圖 3 所示，預處理電路尺寸小巧，便于耳后脈搏信號的檢測，電路板設計使用計算機輔助設計軟件 Altium Designer（V13.0，Altium Inc.，澳大利亞）。
圖3
耳后脈搏傳感器
Figure3.
The post-ear pulse signal sensor
如圖 3 所示，耳后脈搏傳感器的整體結構設計為可懸掛于耳后的半包圍的環狀結構，選取質地柔軟、不易造成皮膚敏感的熱塑性橡膠（thermo plastic rubber，TPR）材料制成。TPR 材料材質柔軟，易于調整，因而便于不同受試者佩戴使用。另外，本研究還選用魔術貼幫助 TPR 結構的固定。在佩戴使用過程中，魔術貼不僅可將傳感器穩定地置于被測部位，而且可防止運動狀態下傳感器的擺動或脫落。
1.2 信號檢測及發送設備
本文采用 MCU（PIC16F877A，Microchip Technology Inc.，美國）實現對耳后脈搏信號的檢測與發送，其內部集成了 10 位的模數轉換器（analog to digital converter，ADC）、定時器、計數器、異步串行通信電路等。如圖 1 所示，通過 MCU 的 ADC 采樣模塊對耳后脈搏模擬信號進行檢測，采樣頻率 250 Hz。使用 MCU 的串口通信模塊實現對藍牙模塊的控制，并將數據發送至安卓手機，傳輸速率為 19 200 bit/s。如圖 4 所示，為信號檢測及發送設備實驗樣機的正視圖、左視圖和后視圖，分別對 MCU、藍牙模塊、電路、接口、尺寸等進行了標注，信號檢測及發送設備體積小巧，便于日常佩戴使用。
圖4
信號檢測及發送設備
Figure4.
The signal acquisition and transmission equipment
2 試驗設計
2.1 試驗對象
試驗共招募 15 名蘭州理工大學在校生，其中 8 名男性，7 名女性，年齡 22～28 歲。所有受試者身體健康，無血管、心血管疾病，試驗前 24 h 內禁止飲用含酒精及咖啡因的飲料。試驗前告知受試者試驗內容，并簽署測試知情同意書。
2.2 檢測信號
為了與指部脈搏信號進行對比分析，在采集耳后脈搏信號的同時，需同步采集指部脈搏信號和 ECG 信號，因此在對比試驗中，使用課題組研制的可采集多路信號的信號采集與無線發送前端[18]，實現指部脈搏、耳后脈搏、ECG 信號的同步采集，并將數據發送至個人計算機（personal computer，PC）進行存儲，以便數據的進一步處理與分析。其中，ECG 信號用于脈搏信號搏動周期的判斷與分析。
（1）耳后脈搏：采用本文研制的耳后脈搏傳感器進行耳后脈搏信號的檢測。
（2）指部脈搏：采用南京航空航天大學自動化學院先進機器人與精密系統研究中心設計的透射式指夾式脈搏傳感器（PWS-20A，中國），夾持在右手食指進行指部脈搏信號的檢測。
（3）ECG 信號：采用心電監測模塊（SEN-12650，SparkFun Electronics Inc.，美國）進行采集[19]，其使用亞德諾半導體技術有限公司（Analog Devices Inc.，美國）提供的運動心電監測方案[20]。根據產品說明書的建議，試驗過程中采用雙臂放置電極的方式進行 ECG 信號的檢測。
2.3 試驗內容
試驗考慮了人體日常行為的基本狀態，設置了靜止、運動、咀嚼、說話等狀態下共 9 項試驗：
試驗 1：坐姿（手臂與心臟同高）5 min
試驗 2：坐姿（手臂自然下垂）5 min
試驗 3：站姿（手臂與心臟同高）5 min
試驗 4：站姿（手臂自然下垂）5 min
試驗 5：慢走（手臂自然下垂，并保持相對靜止）5 min
試驗 6：慢走（手臂正常活動）5 min
試驗 7：慢跑（手臂正常活動）5 min
試驗 8：咀嚼（坐姿，手臂與心臟同高）5 min
試驗 9：說話（坐姿，手臂與心臟同高）5 min
試驗 1～4 為靜止狀態下的試驗，通過不同身體姿態和手臂位置的改變，形成不同的血流灌注狀態，測試不同的血流灌注狀態對脈搏信號檢測的影響。
試驗 5～7 為運動狀態下的試驗，測試運動狀態對脈搏信號檢測的影響。其中，試驗 5 和試驗 6 將慢走狀態分為不擺臂慢走和正常擺臂慢走兩個試驗，測試慢走狀態下，不同手臂狀態對脈搏信號檢測的影響。
試驗 8 和試驗 9 為咀嚼說話狀態下的試驗，測試面部運動對耳后脈搏信號檢測的影響。
3 試驗結果
此部分對同步指部脈搏信號、耳后脈搏信號、ECG 信號的處理與分析使用數學軟件 Matlab 2016a（MathWorks Inc.，美國）實現。
3.1 脈搏信號檢測結果
不同受試者的脈搏信號波形、幅值、幅頻響應具有個體差異，但整體呈現出指部脈搏信號幅值變化大于耳后脈搏信號，且運動狀態下指部脈搏信號采集設備無法檢測到有效的脈搏信息。因此選取一組具有代表性的 26 歲男性受試者數據予以展示，分別對采集于指部與耳后脈搏的信號波形、幅值變化、幅頻響應特征進行說明。
3.1.1 信號波形
如圖 5 所示，分別為整體 9 項試驗和試驗 1、2、5、7、8 各 5 s 的相應數據，其中子圖整體試驗數據中的綠色虛線用于劃分不同的試驗。
圖5
同步采集的指部、耳后脈搏信號和 ECG 信號
Figure5.
Synchronic data of finger pulse signal，post-ear pulse signal and ECG signal
當進行試驗 1～試驗 4 時，指部、耳后均可檢測到有效的脈搏信號，其中試驗 1、3 的信號波形特征基本一致，試驗 2、4 的信號波形特征基本一致，因此不再重復展示。
而當進行試驗 5～試驗 7 時，已無法從指部脈搏信號中分辨出有效的脈搏信息，而耳后脈搏信號雖然受到運動影響，仍保留了脈搏信號的主要特征。試驗 5 與試驗 6 的信號波形特征基本一致，因此不再重復展示。
當進行試驗 8 時，此時手臂處于靜止狀態，指部脈搏信號的質量較好，耳后脈搏受到咀嚼動作的影響，但仍保留了脈搏信號的主要特征。試驗 8 與試驗 9 的信號波形特征基本一致，因此不再重復展示。
3.1.2 幅值箱線圖
如圖 6 所示，分別為指部脈搏信號和耳后脈搏信號幅值箱線圖。試驗 1～4 中，不同手臂狀態下指部脈搏信號幅值有較大程度的變化；相同的手臂狀態下，坐姿幅值均大于站姿。試驗 5～7 為運動狀態試驗，指部脈搏信號檢測失敗。雖然試驗 1、2 耳后脈搏信號幅值低于其他試驗，但與指部脈搏信號相比，試驗 1～7 數據分布較為平穩。在試驗 8～9 中，耳后脈搏幅值波動變大。
圖6
指部、耳后脈搏信號幅值箱線圖
Figure6.
The boxplot of amplitude of finger signal and post-ear pulse signal
3.1.3 幅頻響應
如圖 7 所示，分別為 9 項試驗中指部脈搏信號和耳后脈搏信號的幅頻特性曲線。試驗 1～4 中，不同手臂狀態對指部脈搏信號的有效成分影響較大。試驗 5～7 中，指部脈搏信號的有效成分淹沒在干擾信號中。而在耳后脈搏信號的幅頻特性曲線結果顯示中，試驗 7 中低頻有較明顯干擾，其頻率低于 0.5 Hz，不屬于正常的脈率范圍，此干擾為跑步時引入的運動偽跡，可通過軟件濾波的方式進行濾除。忽略試驗 7 中 0.5 Hz 以下的低頻干擾，耳后脈搏信號的信息在 9 項試驗中均較為明顯。
圖7
指部、耳后脈搏幅頻特性曲線
Figure7.
The amplitude-frequency characteristics of finger pulse signal and post-ear pulse signal
3.2 PRV 提取結果
指部脈搏信號在運動狀態下受到較大程度影響，已無法從時域和頻域中提取脈搏信號的有用信息，無法實現日常 PRV 提取的要求。因此僅使用耳后脈搏信號進行 PRV 提取結果分析。
采用動態差分閾值法提取試驗中 15 組耳后脈搏的 PRV 信號[21]，并與同步采集 ECG 信號 R 波峰值位置進行對比判斷。
如式（1）～（3）所示，誤檢率、漏檢率、準確率分別記為 α、β、γ，其中 a 為正確檢出 PRV 個數，b 為錯誤檢出 PRV 個數，c 為漏檢個數。
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如表 1 所示，分別為 15 組數據在 9 項試驗中 PRV 的誤檢率、漏檢率、準確率和與 P 值結果，其中 P 值為 15 位受試者相同試驗下 PRV 與 HRV 顯著性水平。
表1
耳后脈搏 PRV 提取結果
Table1.
The PRV result of post-ear pulse signal
在試驗 1～6 中，PRV 誤檢、漏檢率均值均低于 0.025 %，準確率均值均高于 99.000 %。在試驗 7～9 中，PRV 誤檢、漏檢率均值均低于 2.000 %，準確率均值均高于 98.000 %。所有試驗的 PRV 與 HRV 信號差異均不具有統計學意義（P > 0.05）。
4 討論
本文旨在研究日常無監督狀態下的 PRV 提取方法，首先，根據耳部在日常脈搏檢測中的優勢，研制了便于日常耳后脈搏檢測的傳感器和信號檢測及發送設備；其次，根據日常生活狀態以及可能影響耳后脈搏檢測的因素，分別設計了靜止狀態、運動狀態、咀嚼、說話狀態下的 9 項試驗，驗證日常狀態下耳后脈搏信號穩定性和 PRV 提取的準確性。
根據指部和耳后脈搏信號波形、幅值箱線圖、幅頻特性曲線結果表明，不同身體狀態引起的血流灌注的改變對指部脈搏信號的影響遠大于耳部，且在運動狀態下指部已無法檢測到有效的脈搏信號。對耳后脈搏信號進行 PRV 的提取，慢走、慢跑、咀嚼、說話試驗中 15 組數據準確率均值高于 98.000 %，其中誤檢率、漏檢率均值低于 2.000 %，可實現日常狀態下 PRV 的準確提取。
與指部相比，耳部離心臟更近，且耳后動脈為頸動脈的分支，可為脈搏信號檢測提供較為穩定的血流灌注；頭部的運動幅度和頻率小于四肢；且耳后部主要由皮膚、軟骨組成，沒有用于運動的骨骼結構，可減少運動對脈搏信號檢測的影響。因此，采用耳后脈搏信號進行 PRV 提取的方式適合日常無監督狀態下 PRV 的準確提取。
5 結論
針對日常狀態下 PRV 提取易受到運動、血流灌注的影響，本文選取耳后脈搏信號進行 PRV 的提取，試驗表明在靜止、運動、咀嚼、說話狀態下，從耳后脈搏信號中提取的 PRV 具有較高的準確率。
與傳統指部脈搏信號相比，采用耳后脈搏信號進行 PRV 提取的方法，不僅可有效抑制運動和血流灌注對脈搏信號檢測的影響，而且可保證日常狀態下 PRV 的準確提取。與此同時，耳后脈搏傳感器還具有佩戴方便、舒適、不影響日常生活，便于日常長時間使用等優勢，本文研究可為日常無監督狀態下 PRV 的準確提取提供新的思路和解決方案。
引言
心率變異性（heart rate variability，HRV）源于心臟的周期性搏動，是一種可反映人體體液調節和神經調節的非侵入式指標，臨床常用于心臟搏動狀態的檢測與監測[1-2]。HRV 可通過心電圖（electrocardiogram，ECG）中的 R-R 間期獲得。然而，ECG 信號的檢測需要復雜的導聯方式，且對電極的放置位置要求較高，不便實現日常的自主檢測。與此同時，電極需與皮膚直接接觸，長時間的佩戴使用易造成被測部位不適或過敏，因此制約了其在日常生活中的應用。
脈搏和 ECG 信號都源于心臟的周期性搏動，均可反映人體心臟的搏動狀態。有研究表明，從脈搏信號中提取的脈率變異性（pulse rate variability，PRV）信息可用于心臟健康狀態的評估[3-5]。與此同時，利用光電容積法（photoplethysmography，PPG）的脈搏信號檢測方法具有檢測方式簡易、檢測位置局限性小等特點[6-7]，便于實現心臟搏動狀態的檢測與監測。
近年來，已有學者對 PRV 信號的應用做了相關研究。Ye 等[8]使用 PRV 對慢性肌筋膜疼痛綜合征的疼痛強度進行了評估，Hernando 等[9]使用 PRV 和 HRV 進行高壓環境下自主神經系統的測量。上述 PRV 研究均是在靜止狀態下進行的，然而，日常生活中運動狀態是不可避免的。與此同時，Vandecasteele 等[10]在使用 PRV 信號進行癲癇發作檢測的研究中指出，運動偽跡造成 55% 的癲癇發作無法檢測。Pantelopoulos 等[11]使用 PRV 進行心房顫動的檢測，由于運動帶來的噪聲對分析造成較大的影響，因此其研究結果只適用于靜止狀態。綜上所述，在非靜止狀態下 PRV 的應用依然受到制約。
目前，PPG 信號的檢測通常選取人體指部，然而指部血流灌注狀態容易受到手臂按壓、環境溫度變化等外在因素的影響[12-13]，變化的血流灌注狀態降低了脈搏信號檢測的穩定性和可靠性。同時，指部作為最常用的身體結構之一，運動時脈搏傳感器與被測部位容易產生間隙或發生位移，導致脈搏信號中引入運動偽跡[14-15]。因為日常運動的無規律性，運動偽跡不僅會降低脈搏信號的質量，甚至會導致脈搏信號丟失基本的波形特征。血流灌注狀態和運動影響脈搏信號的穩定檢測，也會影響 PRV 的準確提取。與傳統選取指部進行脈搏信號的檢測方式相比，耳部具有血流灌注穩定、運動幅度小的特點[16-17]。因此，本文提出在耳后進行日常狀態下脈搏信號檢測及 PRV 提取方法，以減少運動和血流灌注狀態對 PRV 的影響。
根據本文所提日常狀態下脈搏信號 PRV 提取方法，首先研制了位于耳后的脈搏傳感器，構建信號檢測及發送設備，其次，根據日常生活狀態設計試驗，對指部與耳后脈搏信號檢測穩定性進行對比，并對提取于耳后脈搏 PRV 的準確率進行分析。最終，期望本文的研究結果能為日常無監督狀態下 PRV 的準確提取提供新的思路和途徑。
1 耳后脈搏檢測系統
如圖 1 所示，耳后脈搏檢測系統由耳后脈搏傳感器和信號檢測及發送設備組成。由于耳后脈搏信號較為微弱且易受干擾，通過預處理電路可提高耳后脈搏信號的信噪比。與此同時，本文采用微控制器單元（microcontroller unit，MCU）構成的信號檢測及發送設備對耳后脈搏信號進行檢測，并使用藍牙模塊將數據發送至安卓手機進行數據的顯示與處理[18]。如圖 2 所示，為耳后脈搏信號檢測系統實測圖。
圖1
耳后脈搏檢測系統框圖
Figure1.
The block diagram of post-ear pulse signal detection system
圖2
耳后脈搏信號檢測系統實測圖
Figure2.
Photograph of post-ear pulse signal detection system
1.1 耳后脈搏傳感器
現有的商用脈搏傳感器并不適用于耳后脈搏信號的檢測。因此，需根據耳部的結構和生理特點，研制能穩定檢測耳后脈搏信號的傳感器。
本文采用反射式光電脈搏傳感器（SON7015，松恩電子有限公司，中國）進行脈搏信號的檢測，其靈敏度高（發射管、接收管主要工作波長峰值均為 550 nm）、尺寸小（4.0 × 2.0 × 1.1 mm），便于實現耳后脈搏信號的檢測。
由于脈搏信號較為微弱，容易受到噪聲的影響，因此本文選取了包含一階有源低通濾波器和一階無源高通濾波器的預處理電路對脈搏信號進行放大、濾波處理。預處理電路放大倍數為 700 倍，通頻帶為 0.2～3.1 Hz。如圖 3 所示，預處理電路尺寸小巧，便于耳后脈搏信號的檢測，電路板設計使用計算機輔助設計軟件 Altium Designer（V13.0，Altium Inc.，澳大利亞）。
圖3
耳后脈搏傳感器
Figure3.
The post-ear pulse signal sensor
如圖 3 所示，耳后脈搏傳感器的整體結構設計為可懸掛于耳后的半包圍的環狀結構，選取質地柔軟、不易造成皮膚敏感的熱塑性橡膠（thermo plastic rubber，TPR）材料制成。TPR 材料材質柔軟，易于調整，因而便于不同受試者佩戴使用。另外，本研究還選用魔術貼幫助 TPR 結構的固定。在佩戴使用過程中，魔術貼不僅可將傳感器穩定地置于被測部位，而且可防止運動狀態下傳感器的擺動或脫落。
1.2 信號檢測及發送設備
本文采用 MCU（PIC16F877A，Microchip Technology Inc.，美國）實現對耳后脈搏信號的檢測與發送，其內部集成了 10 位的模數轉換器（analog to digital converter，ADC）、定時器、計數器、異步串行通信電路等。如圖 1 所示，通過 MCU 的 ADC 采樣模塊對耳后脈搏模擬信號進行檢測，采樣頻率 250 Hz。使用 MCU 的串口通信模塊實現對藍牙模塊的控制，并將數據發送至安卓手機，傳輸速率為 19 200 bit/s。如圖 4 所示，為信號檢測及發送設備實驗樣機的正視圖、左視圖和后視圖，分別對 MCU、藍牙模塊、電路、接口、尺寸等進行了標注，信號檢測及發送設備體積小巧，便于日常佩戴使用。
圖4
信號檢測及發送設備
Figure4.
The signal acquisition and transmission equipment
2 試驗設計
2.1 試驗對象
試驗共招募 15 名蘭州理工大學在校生，其中 8 名男性，7 名女性，年齡 22～28 歲。所有受試者身體健康，無血管、心血管疾病，試驗前 24 h 內禁止飲用含酒精及咖啡因的飲料。試驗前告知受試者試驗內容，并簽署測試知情同意書。
2.2 檢測信號
為了與指部脈搏信號進行對比分析，在采集耳后脈搏信號的同時，需同步采集指部脈搏信號和 ECG 信號，因此在對比試驗中，使用課題組研制的可采集多路信號的信號采集與無線發送前端[18]，實現指部脈搏、耳后脈搏、ECG 信號的同步采集，并將數據發送至個人計算機（personal computer，PC）進行存儲，以便數據的進一步處理與分析。其中，ECG 信號用于脈搏信號搏動周期的判斷與分析。
（1）耳后脈搏：采用本文研制的耳后脈搏傳感器進行耳后脈搏信號的檢測。
（2）指部脈搏：采用南京航空航天大學自動化學院先進機器人與精密系統研究中心設計的透射式指夾式脈搏傳感器（PWS-20A，中國），夾持在右手食指進行指部脈搏信號的檢測。
（3）ECG 信號：采用心電監測模塊（SEN-12650，SparkFun Electronics Inc.，美國）進行采集[19]，其使用亞德諾半導體技術有限公司（Analog Devices Inc.，美國）提供的運動心電監測方案[20]。根據產品說明書的建議，試驗過程中采用雙臂放置電極的方式進行 ECG 信號的檢測。
2.3 試驗內容
試驗考慮了人體日常行為的基本狀態，設置了靜止、運動、咀嚼、說話等狀態下共 9 項試驗：
試驗 1：坐姿（手臂與心臟同高）5 min
試驗 2：坐姿（手臂自然下垂）5 min
試驗 3：站姿（手臂與心臟同高）5 min
試驗 4：站姿（手臂自然下垂）5 min
試驗 5：慢走（手臂自然下垂，并保持相對靜止）5 min
試驗 6：慢走（手臂正常活動）5 min
試驗 7：慢跑（手臂正常活動）5 min
試驗 8：咀嚼（坐姿，手臂與心臟同高）5 min
試驗 9：說話（坐姿，手臂與心臟同高）5 min
試驗 1～4 為靜止狀態下的試驗，通過不同身體姿態和手臂位置的改變，形成不同的血流灌注狀態，測試不同的血流灌注狀態對脈搏信號檢測的影響。
試驗 5～7 為運動狀態下的試驗，測試運動狀態對脈搏信號檢測的影響。其中，試驗 5 和試驗 6 將慢走狀態分為不擺臂慢走和正常擺臂慢走兩個試驗，測試慢走狀態下，不同手臂狀態對脈搏信號檢測的影響。
試驗 8 和試驗 9 為咀嚼說話狀態下的試驗，測試面部運動對耳后脈搏信號檢測的影響。
3 試驗結果
此部分對同步指部脈搏信號、耳后脈搏信號、ECG 信號的處理與分析使用數學軟件 Matlab 2016a（MathWorks Inc.，美國）實現。
3.1 脈搏信號檢測結果
不同受試者的脈搏信號波形、幅值、幅頻響應具有個體差異，但整體呈現出指部脈搏信號幅值變化大于耳后脈搏信號，且運動狀態下指部脈搏信號采集設備無法檢測到有效的脈搏信息。因此選取一組具有代表性的 26 歲男性受試者數據予以展示，分別對采集于指部與耳后脈搏的信號波形、幅值變化、幅頻響應特征進行說明。
3.1.1 信號波形
如圖 5 所示，分別為整體 9 項試驗和試驗 1、2、5、7、8 各 5 s 的相應數據，其中子圖整體試驗數據中的綠色虛線用于劃分不同的試驗。
圖5
同步采集的指部、耳后脈搏信號和 ECG 信號
Figure5.
Synchronic data of finger pulse signal，post-ear pulse signal and ECG signal
當進行試驗 1～試驗 4 時，指部、耳后均可檢測到有效的脈搏信號，其中試驗 1、3 的信號波形特征基本一致，試驗 2、4 的信號波形特征基本一致，因此不再重復展示。
而當進行試驗 5～試驗 7 時，已無法從指部脈搏信號中分辨出有效的脈搏信息，而耳后脈搏信號雖然受到運動影響，仍保留了脈搏信號的主要特征。試驗 5 與試驗 6 的信號波形特征基本一致，因此不再重復展示。
當進行試驗 8 時，此時手臂處于靜止狀態，指部脈搏信號的質量較好，耳后脈搏受到咀嚼動作的影響，但仍保留了脈搏信號的主要特征。試驗 8 與試驗 9 的信號波形特征基本一致，因此不再重復展示。
3.1.2 幅值箱線圖
如圖 6 所示，分別為指部脈搏信號和耳后脈搏信號幅值箱線圖。試驗 1～4 中，不同手臂狀態下指部脈搏信號幅值有較大程度的變化；相同的手臂狀態下，坐姿幅值均大于站姿。試驗 5～7 為運動狀態試驗，指部脈搏信號檢測失敗。雖然試驗 1、2 耳后脈搏信號幅值低于其他試驗，但與指部脈搏信號相比，試驗 1～7 數據分布較為平穩。在試驗 8～9 中，耳后脈搏幅值波動變大。
圖6
指部、耳后脈搏信號幅值箱線圖
Figure6.
The boxplot of amplitude of finger signal and post-ear pulse signal
3.1.3 幅頻響應
如圖 7 所示，分別為 9 項試驗中指部脈搏信號和耳后脈搏信號的幅頻特性曲線。試驗 1～4 中，不同手臂狀態對指部脈搏信號的有效成分影響較大。試驗 5～7 中，指部脈搏信號的有效成分淹沒在干擾信號中。而在耳后脈搏信號的幅頻特性曲線結果顯示中，試驗 7 中低頻有較明顯干擾，其頻率低于 0.5 Hz，不屬于正常的脈率范圍，此干擾為跑步時引入的運動偽跡，可通過軟件濾波的方式進行濾除。忽略試驗 7 中 0.5 Hz 以下的低頻干擾，耳后脈搏信號的信息在 9 項試驗中均較為明顯。
圖7
指部、耳后脈搏幅頻特性曲線
Figure7.
The amplitude-frequency characteristics of finger pulse signal and post-ear pulse signal
3.2 PRV 提取結果
指部脈搏信號在運動狀態下受到較大程度影響，已無法從時域和頻域中提取脈搏信號的有用信息，無法實現日常 PRV 提取的要求。因此僅使用耳后脈搏信號進行 PRV 提取結果分析。
采用動態差分閾值法提取試驗中 15 組耳后脈搏的 PRV 信號[21]，并與同步采集 ECG 信號 R 波峰值位置進行對比判斷。
如式（1）～（3）所示，誤檢率、漏檢率、準確率分別記為 α、β、γ，其中 a 為正確檢出 PRV 個數，b 為錯誤檢出 PRV 個數，c 為漏檢個數。
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如表 1 所示，分別為 15 組數據在 9 項試驗中 PRV 的誤檢率、漏檢率、準確率和與 P 值結果，其中 P 值為 15 位受試者相同試驗下 PRV 與 HRV 顯著性水平。
表1
耳后脈搏 PRV 提取結果
Table1.
The PRV result of post-ear pulse signal
在試驗 1～6 中，PRV 誤檢、漏檢率均值均低于 0.025 %，準確率均值均高于 99.000 %。在試驗 7～9 中，PRV 誤檢、漏檢率均值均低于 2.000 %，準確率均值均高于 98.000 %。所有試驗的 PRV 與 HRV 信號差異均不具有統計學意義（P > 0.05）。
4 討論
本文旨在研究日常無監督狀態下的 PRV 提取方法，首先，根據耳部在日常脈搏檢測中的優勢，研制了便于日常耳后脈搏檢測的傳感器和信號檢測及發送設備；其次，根據日常生活狀態以及可能影響耳后脈搏檢測的因素，分別設計了靜止狀態、運動狀態、咀嚼、說話狀態下的 9 項試驗，驗證日常狀態下耳后脈搏信號穩定性和 PRV 提取的準確性。
根據指部和耳后脈搏信號波形、幅值箱線圖、幅頻特性曲線結果表明，不同身體狀態引起的血流灌注的改變對指部脈搏信號的影響遠大于耳部，且在運動狀態下指部已無法檢測到有效的脈搏信號。對耳后脈搏信號進行 PRV 的提取，慢走、慢跑、咀嚼、說話試驗中 15 組數據準確率均值高于 98.000 %，其中誤檢率、漏檢率均值低于 2.000 %，可實現日常狀態下 PRV 的準確提取。
與指部相比，耳部離心臟更近，且耳后動脈為頸動脈的分支，可為脈搏信號檢測提供較為穩定的血流灌注；頭部的運動幅度和頻率小于四肢；且耳后部主要由皮膚、軟骨組成，沒有用于運動的骨骼結構，可減少運動對脈搏信號檢測的影響。因此，采用耳后脈搏信號進行 PRV 提取的方式適合日常無監督狀態下 PRV 的準確提取。
5 結論
針對日常狀態下 PRV 提取易受到運動、血流灌注的影響，本文選取耳后脈搏信號進行 PRV 的提取，試驗表明在靜止、運動、咀嚼、說話狀態下，從耳后脈搏信號中提取的 PRV 具有較高的準確率。
與傳統指部脈搏信號相比，采用耳后脈搏信號進行 PRV 提取的方法，不僅可有效抑制運動和血流灌注對脈搏信號檢測的影響，而且可保證日常狀態下 PRV 的準確提取。與此同時，耳后脈搏傳感器還具有佩戴方便、舒適、不影響日常生活，便于日常長時間使用等優勢，本文研究可為日常無監督狀態下 PRV 的準確提取提供新的思路和解決方案。
