【簡單說】心率手錶 / 心率手環究竟能不能知道我心臟出毛病了?


前幾天屎提夫看到一篇關於Apple watch的新聞【偵測心臟病 智慧手錶Apple Watch救律師一命】,想說這麼Apple watch的心跳偵測這麼厲害,可以提早發現心臟病的徵兆,所以來深入的研究一下心跳錶的相關科技,沒想到一研究就停不下來,越鑽越多,屎提夫就把這幾天研究到的醫學相關知識深入淺出用最最淺白的話語來告訴你:

【心臟的構造】
我們的心臟大約是一個拳頭那麼大,由四個腔室組成:
上層兩個稱「心房」,下層兩個稱「心室」,再依左右分,所以總共四部分別為:左心房、左心室、右心房、右心室。
心房都是血液流進來的地方,心室都是將血液打出去的。


【心臟功能】
流經全身血管回心臟的缺氧血(氧氣已經交給身體各部分,所以成了沒有攜帶氧氣的血液)流進右心房,然後從右心室離開心臟被送入肺部,在那裡交換了氧氣後變為充氧血
從肺部回來的充氧血進入左心房,再經左心室將充氧血打出心臟,流遍身體各部位、將氧氣輸送給它們,最後再成了缺氧血回到右心房,成了一個循環。


【心跳】
心臟要不停的收縮跟舒張,才能擠壓血液打出心臟或讓血液流入,心臟的收縮與舒張是由交感&副交感神經來控制如下圖(交感&副交感神經是甚麼東西我後面會講,你先聽過就好,那邊那位同學,紅筆收起來,不用畫紅線)。

【心電描記術(Electrocardiography、簡稱ECG)】
是一種經胸腔以時間為單位記錄心臟的電生理活動,是通過皮膚上的電極捕捉並記錄下來的技術。

ECG工作原理
在每次心跳時心肌細胞去極化的時候會在皮膚表面引起很小的電學改變,這個小變化被心電圖記錄裝置捕捉並放大即可描繪成心電圖。
下圖就是透過身體皮膚的10組電擊貼片,可以量測出完整的心電圖(也就是說你身體上上下下要貼很多東西才能量出完整的心電圖)。

ECG心電圖
經過上圖皮膚貼片所量測到的心電圖如下所示





下圖所呈現的就是心臟收縮舒張一個週期所相對應到的心電圖波形


而這個波形可以再細分如下波段(P / Q / R / S / T)
P波:P波代表的是心房收縮的結果,通常不多於0.12秒,不高於0.25 mV,如果超過這個範圍,通常表示有心房肥大增厚的現象

P-R間期:PR間期的計算,自P波的起始至Q波的起始,主要意謂著心房的去極化。其波寬一般介於 其波寬一般介於0.12秒至0.2秒,P-R間期如果太長,通常表示房室結可能有阻滯狀況出現。

QRS複合波:QRS複合波的計算,自Q波的起始自S波的結束,主要代表著心室的去極化,其範圍通常介於 其範圍通常介於0.08秒-0.12秒,如果超過這個範圍 如果超過這個範圍,通常表示有束枝傳導阻滯的可能

ST間段:ST間段的量測,是從J轉折點後0.04秒開始,一直到T波開始間的電位變化,對於心肌梗塞、心肌缺血或缺氧,以及心肌壞死的症狀而言,是相當重要的評估指標。





講到這邊,先別急著要按上一頁離開,我們來複習一下,現在我們知道心臟的構造,也知道血液經過心房心室的流動分別從肺部變成充氧血再帶著便當盒(氧氣)走透透給全身的構造有飯吃(氧氣交換),然後心臟就是靠著收縮跟舒張才能讓血液進進出出,有沒有覺得心臟實在有夠厲害,可以一直不停的這樣開闔跳來供給全身器官有足夠的氧氣。
而為了研究心臟為甚麼可以這麼給力,有一套叫ECG的方式(就是心臟附近跟手腳的地方貼了很多電擊貼片)去抓取心臟每次開闔跳皮膚表面會有些微的電位變化,這個變化就可以畫出所謂的心電圖,然後有人發現心電圖其中有大大小小不一樣的高低起伏,所以給了不同英文字母來標註(就像你在臉書tag你朋友一樣啦),然後這些英文數字對照的高低如果有一丁點不正常,就可能會有相對應的疾病風險,以上,有沒有大概了解了呢,有的話我們繼續....


【心率 HRM (Heart Rate Measurement)】
心率、或叫心跳其實主要是測量平均心率,通常以每分鐘的心跳次數表示(一分鐘心臟收縮舒張的次數),被稱為心率測量HRM (Heart Rate Measurement)

而心率依照當下動作又可區分為:靜止心率 & 最大心率 & 運動心率
靜止心率
在清醒、不活動的安靜狀態下,每分鐘心跳的次數。從臨床觀察來看,人體安靜狀態時心率在55~70 bpm(次/分鐘)比較理想,假如經常超過80~85 bpm就應該要小心了。

專家認為,健康成年人心率範圍是60 ~ 100 bpm。傑出運動員由於心臟很健壯,所以靜止心率一般都比較低,在40 bpm左右。 且有研究顯示,安靜心率慢的人活得更長,其中一種可能的解釋是:心率由機體能量代謝需求決定,遵守生物物理學規律,機體能量耗盡,生命也就終結,而心率正是反映機體能量代謝的有效指標。所以在同一訓練或活動的強度底下,心臟每次搏動的輸出量都較訓練前為大,靜止心率自然也會隨之而下降。

最大心率
最大心跳率,是衡量運動強度是否恰當的指標。
關於最大心跳率的算法最普遍的計算方式為:220-年齡
以下簡表可以運用最大心跳率來衡量自己的運動強度是否符合你運動的目的。

例如:
小強30歲,他的最大心率就是190 (220-30),小強如果要進行最高強度的訓練,心跳區間就要落在171~190 (190*90%~190*100%)


運動心率
運動心率的量測方式為:在運動結束後的 5 秒鐘內,量度脈搏 10 秒,然後將搏動次數乘以 6;又或者量度脈搏 15 秒,然後將結果乘以 4,以計算運動時的脈搏。


但是一般人並沒有專業的ECG量測心電圖的設備,如何能量測到自己的心率呢?就在這個時候,有個厲害的技術就被搬出來了(PPG)。

【光體積變化描記圖法(Photoplethysmography, PPG)】
每次心臟收縮舒張得打出血液,都會有一壓力波通過血管,這個波會稍微改變血管的直徑。
而血管粗或細的改變也就會影響光的透射(例如在透射式PPG中,通過指尖的光線);或是光的反射(例如在反射PPG中,來自手腕表面附近的光線)。

換個說法好了:你買了杯珍珠奶茶跟你的另一半共喝一杯(噢,奶茶不健康,紅茶拿鐵加波霸珍珠好了,記得點無糖去冰哦),拿了根粗吸管(細的吸管要怎麼吸波霸拉),愛喝珍珠的你要怎麼知道你的另一半是不是一直狂吸珍珠不喝茶,用眼睛看,每當珍珠被吸上來的時候,是不是都有顆黑色的會跑過吸管,阿如果是黑色吸管怎辦,所以你的眼睛就像是打到皮膚上(黑色吸管)的光,然後看仔細是不是黑色吸管有突然變粗一下子,那麼短暫的一下子就是血液流過(波霸珍珠被吸走),懂乎?


透射式PPG的方式必須夾在手指頭做偵測,這樣對運動來說太不靠譜了,所以聰明的工程師們就將反射式PPG的方法置入於手錶或手環的背面來量測手腕的血管,這也就開啟了運動心率表的濫觴,想出這辦法的人一定很愛喝珍奶!!!


好,那我們知道了這種光學式(PPG)的手錶/手環可以無時無刻量測心率,進而去監控自己心率,那光學式PPG的手錶/手環是否可以像ECG那樣強大,從各種被標註的波型差異去觀測到心房心室有沒有潛在病變的可能呢? 

這是個很好的問題,我直接給你答案再告訴你為甚麼:
現在(2017)市面上看到手環手錶後面有燈在閃的,都只能量測到心率而以,無法量測到像ECG的波形,如果可以的話,那些賣貴松松醫療儀器的應該可以洗洗睡了,好,為甚麼不行呢?

PPG所能量測到的一個完整週期的波形如下圖藍色,其中紅色部分表示心臟收縮,紫色部分表示心臟舒張。

我們把PPG訊號跟ECG訊號疊在一起看(如下,紅色為PPG,黑色為ECG),可以發現PPG比ECG少了非常多的細節,當然也就無法單純的從PPG波形去解讀更多疾病發生的可能,聽無?也就是說ECG像是買手機時後的全配,PPG是簡配


但是,PPG就這麼弱可以上網二手賣掉了嗎? 且慢,PPG優點除了方便攜帶的量測且單價相對便宜外,厲害的專家們還是從PPG中找到了可以解讀壓力的密碼。
在那之前,屎提夫先帶大家來認識一下交感、副交感神經。


【交感、副交感神經】
奧妙的人體都是透過神經從腦部接收到指令後,就去控制身體的動作,神經依照你有沒有意識到區分為中樞神經 & 自律神經兩種。

中樞神經
掌管思考、情緒、動作、行為等,這些功能表現可受意識控制,就是你知道你叫大腦生氣,你叫大腦去控制手揮拳,這些都是透過中樞神經來傳導。

自律神經
是自己無法控制的,自律神經負責心跳、呼吸、血壓、體溫等的控制,自律神經也叫自主神經,從字面上來說就是這條神經是模範生拉會自動自發不用你發號司令拉。

而自律神經又再區分成兩種:交感神經 & 副交感神經,簡單來說就是一個可以控制器官變大(放鬆),另一條神經就控制器官變小(收縮),或是說其中一條神經控制器官要衝衝衝,另一條神經就是叫器官慢慢慢要休息。

前面提到心臟可以這麼自主性的開闔跳原來也都是交感跟副交感神經在背後當成功男人背後的推手阿?
這兩個神奇的推手如果哪天受傷了,也就是俗稱的自律神經失調,那麼,對應到的器官控制也會跟著出trouble,例如:心悸、喘氣、四肢麻痺、發抖、發冷等等,而自律神經失調其中的造成原因可能是壓力或其他造成,如果,我們在自律神經還沒失調前,也就是身體臟器還沒出trouble前,能不能提前預測到呢?


答案是可以的,因為心臟既然是由交感與副交感神經在控制收縮舒張,那麼心率(心跳)一定就跟交感副交感有關聯....


我們回到ECG心電圖來看(如下),最高的那好幾根叫做R波(股價快要跌下來的反折點這樣有比較懂了嗎?),而兩根R波之間的時間叫R-R Time(單位是ms,就是很快的意思),並不是每兩根R波之間的R-R time都是固定的,會時快時慢,所以就有聰明的人定義了一個東西叫HRV(恩,不是那個Honda車子CR-V的新款哦)


【心率變化(Heart Rate Variation, HRV)】
採樣間隔內的心率變化,被稱為心率變化。
定義了HRV之後呢?你搜集到了好幾百筆的R-R time資料,然後呢?
有人就把HRV轉成頻域來看(如下圖),等等,有人不懂頻域沒關係,屎提夫當初大學唸工科也是不懂頻域,我用最簡單的方式講給你聽:

當你蒐集了好幾百筆HRV資料,有些快有些慢,有些可能100ms就跳一次心跳,有些可能500ms跳一次心跳,那你把這些HRV資料分堆一下,算看看100ms的有幾次,200ms的有幾次,300ms的有幾次....,這樣分堆的概念就是轉成頻域的概念。

所以量測出來的HRV就可以再細分成下面這幾項,然後再對應到下下圖的相關疾病。





可是,聰明的你會發現R-R time是針對ECG心跳圖才有的阿,一般PPG圖(就是手錶手環那種量測方式)根本沒有R波怎辦?

下圖就是一張連續的PPG圖,雖然無法抓到R-R time,還是可以從其中的波峰(股價要起跌的地方)對波峰或是波谷(要趕快大量買進的地方)對波谷圖去抓到時間差,有資料已經驗正這時間差跟ECG心跳圖的R-R time是有關聯的,所以,市面上的配備PPG感應方式的手錶手環多是抓取這資料去推算出HRV再去估算出你的緊張 / 壓力指數,至於準不準,那就看各家廠商演算法給不給力了。




【結論】
屎提夫這邊文章從最基本的認識
心臟功能介紹-->ECG心電圖的量測-->PQRST圖認識-->心率(HRM)-->PPG(消費型心率量測方式)-->再講回控制心臟的交感與副交感神經-->心率變化HRV-->再告訴你市面上現有的PPG量測如何知道你的壓力指數。
繞了好大一圈阿,結論就是,市面上的心跳錶有心跳錶的方便優勢,卻也有它難以跟傳統ECG心電圖匹敵的地方。

目前我有找到可以還原出ECG圖的心跳錶有Mio推出的【MioCare 脈刻腕式心電圖紀錄器 MiCor A100】,它是要透過右手按壓戴在左手的手錶上電擊片約30秒的時間來記錄這30秒間的心電圖,雖然這產品有獲得TDFA認證,但仍宣稱跟傳統ECG還是有5%的差異,且只有30筆(每筆30秒的記錄),也就是你覺得身體不正常時才去按壓記錄,而非像傳統PPG無時無刻可以監控心率,如果等身體覺得不舒服才去按壓記錄,其實應該也可以直接去醫院掛號了吧?

屎提夫發想,若有廠商將PPG跟接觸式量測ECG的兩種感測器兜在一起,全天候PPG隨時開啟監控心率,當PPG抓取到的HRV有不正常時,提醒使用者按壓接觸式量測,那這樣應該可以更貼近真實的需求,也就是真的在使用者感覺到非常不舒服之前就先預警記錄。

好,屎提夫這篇文章打了好幾天,下課拉。


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1 則留言:

匿名 提到...

想請教史提夫大大。如果能夠從坊間的手環捉到心率的raw data ,但是為每30秒為一筆。請問這樣可以算出HRV跟R-R time嗎?謝謝