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该协议描述了一种从心电图(ECG)波形计算心率变异性(HRV)的方法。在活动视频游戏 (AVG) 会话期间,连续心率 (HR) 记录产生的波形用于测量脑瘫青年 (CP) 的有氧表现。
本研究的目的是从心电图(ECG)波形中生成一种计算心率变异性(HRV)的方法。参与者(脑瘫青年(CP))在活动视频游戏(AVG)会话期间佩戴的HR监视器记录了波形。AVG 课程旨在促进参与者的体育活动和健身(有氧表演)。目标是评估AvGs作为物理治疗(PT)干预策略的可行性。为每个参与者确定了最大 HR (mHR),在 20 分钟的 AVG 会话中,针对三个锻炼阶段中的每一个计算目标心率区 (THRZ):(在 40-60% mHR 下预热,在 60-80% mHR 调节,在 40-60% mHR 下冷却)。在AVG会话期间,每个参与者玩了三个20分钟的游戏。所有比赛都是坐在板凳上进行的,因为许多有CP的青年不能长时间站立。每个游戏条件不同,参与者只使用手图标,手和脚图标在一起,或脚图标只收集对象。游戏的目标(称为 KOLLECT)是收集对象来获得积分,并避免不失分的危险。在预热和冷却阶段使用危险,只能促进更慢、可控的运动,以保持目标心率区 (THRZ) 中的 HR。在调理阶段没有危险,以促进更高水平的和更剧烈的体力活动。使用分析方法从ECG数据生成HRV(选定的时域和频域测量),以检查有氧工作负载。HRV最近的应用表明,短期测量(5分钟)是适当的,HRV生物反馈可能有助于改善各种健康状况的症状和生活质量。虽然 HR 是一种公认的临床测量,用于检查 PT 干预中的有氧运动表现和强度,但 HRV 可能在 AVG 会话期间提供自主系统功能、恢复和适应的信息。
脑瘫(CP)是儿童期最常见的身体残疾。CP是由神经性侮辱对发育的大脑造成的,与运动损伤有关,如肌肉无力、痉挛、去功能减退、运动控制和平衡下降2,3。CP 是一种非渐进性疾病,但随着年龄的增长,儿童与具有典型发育 (TD) 的同龄人相比,身体活动较少,久坐不动,这主要是因为他们受损的神经肌肉和肌肉骨骼系统4.
患有CP的青少年通常接受物理治疗(PT)服务,以提高功能流动性,促进身体活动和健身(如有氧和肌肉耐力)2。通常,获得 PT 服务和社区资源的机会有限,以实现和维持这些 PT 目标5、6 。主动视频游戏(AVG)可能是一个可行的策略,在临床,家庭或社区设置7,8基于活动的PT干预。商业APG在适应游戏游戏和满足CP9青少年的特定需求和PT目标的灵活性有限。然而,定制的AvG提供灵活的游戏参数,挑战青少年与CP,同时促进体育活动和健身10。
我们的团队开发了定制的AVG(称为KOLLECT),用于检查青少年运动反应(例如,体育活动和有氧健身)。游戏使用运动传感器来跟踪游戏期间的青年运动。游戏的目标是"收集"尽可能多的对象,以取得高分,并避免危险,避免失去分数。对象可以收集手和/或脚图标由治疗师在灵活的游戏参数确定。
设计基于活动的PT干预,通过身体活动强度促进有氧健身,对于CP11的青少年至关重要。自定义APG可能是一个有效的策略,剂量强度和青年参与体育活动,以促进健身10。心率 (HR) 监测器通常用于临床 PT 实践,以确定有氧运动表现和活动强度。因此,HR监测器将帮助确定AvG在给给体力活动强度方面的可行性,以促进有氧健身9。从 HR 监视器生成的心电图数据可用于计算心率变异性 (HRV)。使用分析方法从心电图数据生成HRV,以检查有氧工作量。HRV最近的应用表明,短期测量(5分钟)是适当的,HRV生物反馈可能有助于改善各种健康状况的症状和生活质量32、33、34.应用短期HRV措施是评估AVG会议期间心血管功能的适当手段。鉴于 HRV 派生自 ECG 的 R-R 间隔,我们使用选定的时域和频域度量。HRV 的时域测量量化了连续心跳之间的连续间隔中的变异性量。我们使用 AVNN(平均 NN 间隔)、RMSSD(连续差的根均平方)、SDNN(NN 间隔的标准偏差)、NN50(NN 间隔数 >50 ms)和 PNN50(NN 间隔的百分比)。频域测量估计绝对功率或相对功率分布为可能四个频段,我们专门针对两个频段,低频(LF)功率和高频(HF)功率以及LF/HF比。虽然HR是一个公认的临床措施,HRV可能是有用的,因为它提供了有关自主系统功能,恢复,适应的信息,并提供AVG会议28期间的有氧工作量的估计。
本研究的目的是研究使用AVG策略促进体育活动和健身的可行性。第二个目的是介绍AVG数据收集协议和通过HR监视器获得的ECG数据计算HRV的方法。这些措施和该协议可能证明与临床医生监测和剂量PT干预会议相关。
机构审查委员会获得批准。所有青年提供书面同意,父母在参与前表示同意。
1. AVG数据收集会议
2. 从患者获取心电图数据
3. 心率变异性测量的数据分析与计算
该方法提供数据,用于分析新开发的方法对受试者心率可变性 (HRV) 的影响。它通过定位主体心电图数据的QRS波形的R部分(如图6所示)和计算其各种HRV值来达到这一点。如果 HR 监视器与主体进行适当接触,数据将一致,大大减少了更正的需要(如图4所示)。
阈值应设置为处理混乱和不规则的数据,如图1和图2所示。如果由于 HR 监视器皮肤接触的瞬时变化,数据具有足够的可变性,则初始分析可能会错误地标记峰值,如图3所示。此错误可以通过手动更正值或输入额外的数据点来纠正,如协议第 3 节所述。更改阈值级别和峰值之间的最短时间还有助于清理检测值并生成调整图,如图5所示。
一旦获得数据并分析差异,就可以用于计算 HRV 值进行统计分析。ECG数据的分析可用于量化会议期间为评估目的所作的观察。
图 1.在表示"混乱"数据的预热会话期间,跨时间(x 轴(s 中的 x 轴)的连续 HR(y 轴)的代表图形,用于主题一游戏 3。杂乱的数据:在此部分 R 峰值小于波形的 T 部分。这可能导致峰值检测问题。
图 2.一些心电图 (ECG) 不规则波形模式的示例。不规则波形模式:由于运动而与主体接触的变化可能导致电压变化,降低波形的均匀性。请点击此处查看此图的较大版本。
图 3.心电图 (ECG) 输出的示例,其峰值 HR 标记错误峰值。在图的顶部附近,电压尖峰会导致部分波形被检测为与R模式匹配。它还可能导致由于邻近性(如在 (9924、 2074) 中突出显示的接近而忽略附近的 R 模式。
图 4.跨时间(x 轴(s)清洁心电图 (ECG) 波形的连续 HR(y 轴)的代表性图。清洁波形:具有相对均匀的波形和电压电平的一段均匀心电图数据的示例。
图 5.清洁前,在 μv 中跨越原始心电图 (ECG) 的时间(x 轴(x 轴(s)的连续 HR(y 轴)的代表性图。清洁前的数据:在调节阶段显示主题 01 游戏 3 的 ECG 数据 30 秒段。由于高电压可变性,一些峰值已丢失,有些峰值标记不正确。请点击此处查看此图的较大版本。
图 6.clearning 后原始心电图 (ECG) 跨时间(x 轴(s)的连续 HR(y 轴)的代表性图。数据后清理:在主题 01 游戏 3 正确标记后,从主题 01 游戏 3 的相同 30 秒的 ECG 数据,如协议第 3 节所述。请点击此处查看此图的较大版本。
相 | 时间 | THR 区域 | 游戏功能 |
休息 | 5分钟 | 基线休息 | 那 |
热身 | 5分钟 | 40-60% mHR | 4 个对象 + 4 个危险;较慢的速度 |
调节 | 10分钟 | 60-80% mHR | 8 个对象 = 0 个危险;更快的速度 |
冷却 | 5分钟 | 40-60% mHR | 4 个对象 + 4 个危险;较慢的速度 |
恢复 | 5分钟 | 基线休息 | 那 |
关键: THR = 目标心率; NA = 不适用 |
表 1.活动视频游戏 (AVG) 游戏阶段。关键:目标心率(THR);NA(不适用)。
主题 | Avg | 游戏 | 预热启动 | 调理启动 | 冷却开始 | 恢复开始 |
(MM/DD/YYYY) | (MM/DD/YYYY) | (MM/DD/YYYY) | (MM/DD/YYYY) | |||
(HH:MM:SS) | (HH:MM:SS) | (HH:MM:SS) | (HH:MM:SS) | |||
1 | 4 | 1 | 2015/11/25 | 2015/11/25 | 2015/11/25 | 2015/11/25 |
1 | 4 | 1 | 16:33:53 | 16:39:03 | 16:49:04 | 16:54:09 |
1 | 4 | 2 | 2015/11/25 | 2015/11/25 | 2015/11/25 | 2015/11/25 |
1 | 4 | 2 | 17:27:47 | 17:32:57 | 17:43:01 | 17:48:03 |
1 | 4 | 3 | 2015/11/25 | 2015/11/25 | 2015/11/25 | 2015/11/25 |
1 | 4 | 3 | 18:25:22 | 18:30:33 | 18:40:35 | 18:45:38 |
2 | 4 | 1 | 2016/4/10 | 2016/4/10 | 2016/4/10 | 2016/4/10 |
2 | 4 | 1 | 11:59:19 | 12:04:29 | 12:14:36 | 12:19:50 |
2 | 4 | 2 | 2016/4/10 | 2016/4/10 | 2016/4/10 | 2016/4/10 |
2 | 4 | 2 | 12:40:25 | 12:45:37 | 12:55:44 | 13:00:53 |
2 | 4 | 3 | 2016/4/10 | 2016/4/10 | 2016/4/10 | 2016/4/10 |
2 | 4 | 3 | 13:19:57 | 13:25:02 | 13:35:04 | 13:40:11 |
3 | 4 | 1 | 2015/11/18 | 2015/11/18 | 2015/11/18 | 2015/11/18 |
3 | 4 | 1 | 17:08:10 | 17:13:20 | 17:23:21 | 17:28:28 |
3 | 4 | 2 | 2015/11/18 | 2015/11/18 | 2015/11/18 | 2015/11/18 |
3 | 4 | 2 | 17:59:46 | 18:04:48 | 18:14:54 | 18:19:55 |
3 | 4 | 3 | 2015/11/18 | 2015/11/18 | 2015/11/18 | 2015/11/18 |
3 | 4 | 3 | 18:42:03 | 18:47:03 | 18:57:04 | 19:02:02 |
表2.定时文件密钥:AVG + 活动视频游戏
ID_AVG_游戏 | AVNN (s) | 平均人力资源(bpm) | RMSSD (毫秒) | SDNN (毫秒) | NN50 | pNN50 (%) | LF / 高频 (ECG) | LF / 高频 (RR) | LFP (RR) | 高频(RR) | ||
03_AVG4_G1_Rest | 719.875 | 83.347 | 29.827 | 55.604 | 35 | 8.393 | 1.328 | 0.602 | 0.123 | 0.204 | ||
03_AVG4_G1_WU | 656.373 | 91.411 | 26.52 | 50.372 | 28 | 5.932 | 1.288 | 0.675 | 0.125 | 0.185 | ||
03_AVG4_G1_Con 1 -5 | 557.772 | 107.57 | 20.651 | 43.932 | 4 | 0.743 | 1.187 | 0.76 | 0.119 | 0.157 | ||
03_AVG4_G1_Con 6 10 | 532.483 | 112.679 | 27.771 | 33.481 | 9 | 1.599 | 1.244 | 0.809 | 0.118 | 0.146 | ||
03_AVG4_G1_Con 2 - 7 | 538.546 | 111.41 | 20.389 | 34.351 | 6 | 1.077 | 1.198 | 0.819 | 0.118 | 0.144 | ||
03_AVG4_G1_Con 3 - 8 | 530.761 | 113.045 | 27.756 | 34.26 | 8 | 1.413 | 1.192 | 0.826 | 0.118 | 0.143 | ||
03_AVG4_G1_冷却 | 597.019 | 100.499 | 31.806 | 41.96 | 16 | 3.181 | 1.281 | 0.712 | 0.120 | 0.169 | ||
03_AVG4_G1_恢复 | 665.511 | 90.156 | 42.136 | 70.698 | 57 | 12.639 | 1.301 | 0.636 | 0.122 | 0.191 | ||
AVNN = 平均 NN 间隔;平均 HR = 平均心率;RMSSD = 连续差异的根均方;SDNN - NN间隔的标准偏差;NN50 = NN 间隔数 > 50 ms;pNN50 = NN 间隔的百分比 > 50 ms;LF = 低频功率;高频 = 高频功率;LF/HF = 低频 - 高频比。 bpm = 每分钟节拍;毫秒 = 毫秒;心电图 + 心电图 - 包含 QRS 复合物; RR = 其中 R 是与 ECG 波的 QRS 复合点关联的点,RR 是连续 R 点之间的间隔; |
表 3.心率变异性 (HRV) 主题 03 游戏 01 的数据
表4.每个游戏不同阶段运动心率变异性测量的描述性统计数据 请点击这里下载此表。
性别 | GMFCS 级别 | 临床诊断 | 运动障碍 | 占主导地位的一侧 | 高度(厘米) | 重量(公斤) | 体重指数(公斤/平方米) | BMI 百分位数 |
男孩 | 2 | 迪莱吉亚 | 肌 张力 障碍 | 对 | 161.20 | 47.60 | 18.32 | 17.00 |
男孩 | 3 | 迪莱吉亚 | 痉挛 | 离开 | 141.17 | 49.20 | 24.70 | 95.00 |
男孩 | 2 | 左偏瘫 | 痉挛 | 对 | 165.80 | 50.50 | 18.40 | 13.00 |
男孩 | 3 | 迪莱吉亚 | 痉挛 | 对 | 154.30 | 57.00 | 23.90 | 83.00 |
女孩 | 2 | 左偏瘫 | 痉挛 | 对 | 161.20 | 60.30 | 22.86 | 71.00 |
女孩 | 2 | 左偏瘫 | 痉挛 | 对 | 146.40 | 40.80 | 19.00 | 30.00 |
女孩 | 2 | 右直胸痛 | 痉挛 | 离开 | 154.60 | 64.00 | 26.80 | 85.00 |
女孩 | 3 | 左偏瘫 | 痉挛 | 对 | 166.10 | 61.20 | 22.20 | 42.00 |
男孩 | 2 | 左偏瘫 | 痉挛 | 对 | 168.10 | 49.70 | 17.60 | 51.00 |
男孩 | 3 | 迪莱吉亚 | 痉挛 | 对 | 135.00 | 29.80 | 16.00 | 43.00 |
关键:GMFCS=总电机功能分类系统; BMI= 身体质量指数 |
表5.患者人口统计
10名患有CP的青年参加了这项研究(平均= SD)= 年龄(岁) = 15.53 ± 3.57;身高(厘米) 154.8 ± 12.6;体重(公斤) 50.69 ± 11.1;身体质量指数 (BMI) 50.46 ± 29.2;mHR 9 bpm = 186.8 ± 12.4°*有关患者人口统计数据,请参阅表5。
使用 HR 监视器以及 HR 和 HRV 的相关措施需要考虑一些与修改和故障排除相关的措施。无论使用何种技术来获取数据,两个问题显而易见:1) 运动伪影和 2) 异位节拍。运动伪影和异位节拍引起的问题通常通过获取 RR 间隔 12、13、18、22之后的后处理活动来解决,26.对后处理操作的故障排除需要考虑 HR 中突出呼吸道正心的时态波动,以及计算规范化的 HRV 值,以便区分HRV13、27、29 的生理和数学介导变化。
HRV测量的限制最初通过应用频谱分析技术(即频域测量)13、27、29确定。有生理因素,包括呼吸道正心性腺,心血管漂移,水化状态和环境因素(如温度,热,冷,海拔)与HR 27中的日常变化相关 ,29.数学考虑涉及时域度量(例如,SDNN、r-MSSD、pNN-50 索引)以及最近包含的非线性动态分析技术 13、27、29 。为了正确解释各种HRV措施,我们需要考虑身体是处于休息状态还是处于压力状态。通常,当身体休息时,我们期望寄生影响,这增加了反应的变异性,导致更高的HRV,而在压力期间,我们期望同情的影响,减少变异性,有较低的HRV措施。HRV测量的局限性会影响精度自主平衡假设与LF/HF比相关。该假设假设交感神经系统和寄生神经系统在竞争,以调节SA节点发射。作者指出,LF/HR比率需要谨慎解释,同时注意获取信息和审查LF和HF值的背景。关于在HR测量和HRV的短期事件中将LF/HF比应用于AVG游戏,高LF/HF比率可能表明在应对需要努力的挑战时观察到的交感活动较高,并增加同情神经系统激活35。
重要的是使用最佳措施,以确定有氧运动表现和能力的青少年与CP,以检查适当的干预给给和有效性6,11。临床护理标准通常包括测量HR以确定干预给药(强度)6,11。然而,人力资源措施的内在变异性使得难以确定有氧训练12、13、22、27的实际工作。因此,这种从人力资源监测仪ECG数据中计算HRV的方法提供了一个更准确的衡量标准,以评估干预结果27,28 。此外,HRV 措施还提供了关于 AVG 练习12、13、29、34、35期间自主神经系统反应、适应和恢复的新信息.我们认为,在短期耐久运动中应用HRV措施,可以提供有关基于Kerppers及其同事工作改善生理系统的信息,为期32年。
这里需要注意的是,在锻炼绩效期间,我们相对于人力资源监控和 HRV 测量的现有应用所做的重要应用。该方法允许用户在青少年与 CP 进行游戏体育活动期间从 ECG 波形中提取 RR 间隔和 HRV 测量值。该方法目前针对特定游戏中的 AVG 会话量身定制,但可以轻松适应其他协议和 ECG 设备,以便将来进行实验。如果数据是统一的,并且 ECG 记录设备与主体配合良好,则此协议将允许以用户最少的输入进行快速数据处理。但是,对于信号振幅变化较大的非均匀数据,协议将要求用户输入正确标记缺失的峰值并从数据集中删除误报。将来,可以使用更强大的检测方法改进此方法,以减少用户对峰值检测和校正的辅助(例如,非线性动态分析技术29)。
在整个协议执行过程中,执行以下关键步骤至关重要。确保在整个数据收集会话中具有高水平的信号置信非常重要,以减少所需的处理和峰值校正时间。通过确保 ECG 记录设备在每次会话之前与主题进行适当接触,可以改进这一点。在会话期间保持导电触点湿润也很重要,可以通过在每个会话前重新润湿记录器来完成。同时,在收集数据后,处理后活动需要通过时域度量、频域测量、非线性动态分析以及计算规范化的 HRV 值来区分方法方面的考虑在HRV12、13、29的生理推导和数学介导变化之间。
今后工作的考虑包括为参与不同强度和身体姿势的儿童和青少年应用HRV测量方法6、7、8、 9,10,17,23,26,29,认知具有挑战性的游戏和心理工作量24,25 26,27 ,虚拟和模拟类型体验, 过度训练评估23,31,睡眠质量评估13,26,27,31、慢性疲劳、身体疲惫和战备31以及HR与大脑之间关于亲社会行为的血管连接30。
目前,提交人(CL和PAS)没有什么可透露的。O'Neil 博士是 enAbleGames, LLC 的联合创始人,Kollect 是这家基于网络的公司提供的游戏之一。enAbleGames 处于游戏开发阶段,目前不是上市公司 (www.enAbleGames.com)。
作者感谢参与者及其家属为参与研究所花费的时间和精力。同样,作者还感谢刘一川博士和海山·阿亚兹博士协助进行HR监测的时间计算,保罗·迪芬巴赫博士负责开发KOLLECT主动视频游戏软件。这项工作的资金由库尔特基金会赠款#00006143(O' Neil;迪芬巴赫,皮斯)和#00008819(奥尼尔;迪芬巴赫,皮斯)。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
BioHarness Bluetooth Module (Electronics sensor) | Zephyr | 9800.0189 | Detects Heart Rate, Resiration Rate, Posture, and Skin Temperature. |
BioHarness Chest Strap | Zephyr | 9600.0189, 9600.0190 | Sizes Small XS-M, Large M-XL |
BioHarness Charge Cradle & USB Cable | Zephyr | 9600.0257 | Used to Transfer Data from the Module to a Computer for Analysis. |
BioHarness Echo Gateway | Zephyr | 9600.0254 | Allows for Realtime Viewing of Subject's Heart Rate. |
MATLAB R2016a | Mathworks | 1.7.0_.60 | Used for All Programming. |
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