監控健康的新方法:利用穿戴式裝置量測心率變異性
發佈日期：2018-02-12
虹映科技董事長 陳風河博士
公眾越來越能接受穿戴式健身追踪裝置的進步,在未來幾年,數以億萬計的穿戴式健身追踪裝置將被納入健康計劃,特別有用於一些最需要健康行為干預的群體。穿戴式裝置能幫助消費者:了解自己的健康狀況,提示還需要做什麼,並保持動力的持續下去。美國心臟協會(American Heart Association, AHA)在2015年8月發表的一份聲明中表示:"在醫療信息技術的眾多創新中,穿戴式裝置使得個人能夠監測自己的慢性病和管理治療方案,並在健康促進上發揮更積極的作用。" 一個人的健康狀態,現在透過穿戴式裝置就很可測量和及時追踪各種信息。在舒適的家中,我們可以檢查體重、血壓、步數、卡路里、心率和血糖。一個有趣的標記可用來提高韌性和行為靈活性,就是心率變異性(Heart Rate Variability, HRV)。你曾想過一個充滿壓力的一天對健康的影響到底是什麼?你可以勝任明天一大早的長跑嗎?今天可以做什麼事情來提高明天更棒的前進能力嗎? HRV可能是幫助您回答這些問題的關鍵數據。
HRV是什麼?
HRV只是衡量每次心跳之間時間變異的一個指標,這種變異是由自律神經系統(Autonomic Nervous System, ANS)控制的。ANS調節我們的心率、血壓、呼吸和消化,它被分為兩大部分:交感神經和副交感神經系統,也分別被稱為「戰鬥或逃跑機制」和「放鬆與養生機制」。
大腦不斷在下丘腦的區域處理信息,下丘腦通過ANS發送刺激或放鬆的信號給身體各部分,這個系統能反應一個差勁睡眠、與你與老闆的不愉快互動、或有你得知好消息的興奮感,甚至是你午餐所享受的美味健康佳餚。我們的身體處理各式各樣的刺激,而讓生活繼續下去。但是,如果我們有持續的壓力、失眠、飲食不健康、人際關係紊亂、孤立或孤獨、缺乏運動等的情況發生,健康的平衡就被破壞,你的「戰或逃反應」可能轉成超速狀態。
為什麼要量HRV?
HRV是識別這些ANS不平衡的非侵入式方法。如果一個人的系統經常處於戰或逃模式,則心跳之間的變異就會小。如果一個人處於放鬆的狀態,心跳之間的變異就會很大。換句話說,ANS越健康,就有更強的彈性和靈活性,HRV呈現值就越高。在過去的幾十年裡,研究已證實低HRV和抑鬱或焦慮之間有直接的關係。低HRV甚至與死亡和心血管疾病的風險增加有關。
高HRV的人能有更高的心血管健康水平,也更能適應壓力。 HRV還可以提供個人生活方式的反饋,所以監測HRV有助於激勵那些正在努力邁向更健康生活的人。當一個人將更多的正念、冥想、睡眠,特別是運動融入到生活時,看看HRV如何變化,是非常有趣的。對於喜歡參考數據的人來說,這可以是一個很好的方式來監控神經系統如何對環境、情緒、想法和感覺而做出反應。
如何量測HRV?
電子技術的持續進步,使得構建能捕捉和處理人體生物信號的穿戴式產品成為可行。而在心率監測方面,設備製造商主要使用兩種技術: ECG(electrocardiography-心電圖)和PPG (photoplethysmography-光電容積脈搏波傳感器)。ECG傳感器測量控制心臟搏動的生物電位。反之,PPG傳感器使用光學技術來檢測由心臟泵送的血流速度,心臟跳動時,人體全身血管會產生微小波動,儀器射出一束光(如圖一)到人的手腕上,再用攝影機觀察反射的陰影。如果其中有微小變化,就認為心臟跳動一次。
圖一: PPG傳感器
要取得HRV這項數據,有很多種方法,主要分兩種:「時域分析」和「頻域分析」。穿戴式裝置都是用時域分析,它是用「間距的標準差」來計算,也就是各個「間隔」距離平均值的偏差程度。一般來說,「間隔」的取法是心電圖中R波最高峰之間的距離(R-R Intervals; RRI),見圖二。
圖二: 心電圖中R波最高峰之間的距離RRI
當R波精準量測出來後,就能得到RRI。例如某次測量時每個間距的變化的間距大小從0.6秒到1秒,平均是0.8秒。接著把這些間距的標準差計算出來即是HRV。標準差用來顯示數據的離散程度,標準差愈大表示各數據互相差異愈大。 最傳統的標準HRV分析是透過心電圖數據,就像我們在醫療院所裡把電極連接到胸部的測試。ECG可提取R峰間隔到毫秒精度,所以可在短時間測量就獲得有意義的HRV數據。使用PPG傳感器,由於LED的高功耗,RRI精度會受到可用採樣率的限制。這種量測方式只能用來推估,並非實際掌握RRI。雖然不夠精確,但還是可以得到一組間距數據來計算標準差。但值得提醒:使用PPG穿戴式裝置,脈搏頻率變化與HRV相關的時間較長(> 5分鐘),並不適用於短時間測量HRV。
從胸帶式ECG心跳帶所量到的RRI雖然比不上醫療設備量測的心電圖來得準確,但已經比手腕式或手指型的PPG裝置更為精確。在醫院裡,最少要用三個電極才能把其他P波、T波、U波都標示出來,畫出心電圖。使用胸帶式ECG心跳帶的限制是,當心臟跳動一下時,你會不確定取在「剛跳動」還是「已快跳完」,無法像心電圖的數據明確地抓到每一次跳動的R波的波峰所在位置。當然,我們無法每天都去醫院在胸口貼上電極測HRV,所以使用胸帶式心跳帶(如Polar; Wahoo; CardioSports),並下載App(如JoiiSports; Elite HRV; SweetBeats)來分析HRV數據,雖然略微不準,已是最簡單便宜的方法。圖三顯示利用CardioSports的胸帶式心跳帶透過 JoiiSports HRV功能模組所量測到的心率變異指標。
小結
每天早上醒來後檢查一次HRV,每週檢查幾次,尤其在採取健康促進活動時,追踪HRV有沒有變化。持續追踪HRV將會是激勵生活型態改變的重要工具。 HRV測量可以幫助個人了解生活和思維方式,以及行為如何影響自己的神經系統和功能。雖然追踪HRV無法幫助你避免壓力,但它可以幫助你了解如何以更健康的方式來應對壓力。利用大腦最原始的視覺洞察力,我們可將HRV視為一種健康促進工具。
參考資料
- https://www.health.harvard.edu/blog/heart-rate-variability-new-way-track-well-2017112212789
- http://neurosky.com/category/heart-rate-variability-hrv/page/2/
- 『跑者都該懂的跑步關鍵數據:透過跑錶解析自己的跑力,突破瓶頸,進行有效率的科學化訓練』作者:徐國峰, 莊茗傑臉譜出版, 出版日期:2016/06/02
- https://mhealthintelligence.com/news/wearables-can-help-people-with-heart-conditions-if-only-theyd-wear-them
公眾越來越能接受穿戴式健身追踪裝置的進步,在未來幾年,數以億萬計的穿戴式健身追踪裝置將被納入健康計劃,特別有用於一些最需要健康行為干預的群體。穿戴式裝置能幫助消費者:了解自己的健康狀況,提示還需要做什麼,並保持動力的持續下去。美國心臟協會(American Heart Association, AHA)在2015年8月發表的一份聲明中表示:"在醫療信息技術的眾多創新中,穿戴式裝置使得個人能夠監測自己的慢性病和管理治療方案,並在健康促進上發揮更積極的作用。" 一個人的健康狀態,現在透過穿戴式裝置就很可測量和及時追踪各種信息。在舒適的家中,我們可以檢查體重、血壓、步數、卡路里、心率和血糖。一個有趣的標記可用來提高韌性和行為靈活性,就是心率變異性(Heart Rate Variability, HRV)。你曾想過一個充滿壓力的一天對健康的影響到底是什麼?你可以勝任明天一大早的長跑嗎?今天可以做什麼事情來提高明天更棒的前進能力嗎? HRV可能是幫助您回答這些問題的關鍵數據。
HRV是什麼?
HRV只是衡量每次心跳之間時間變異的一個指標,這種變異是由自律神經系統(Autonomic Nervous System, ANS)控制的。ANS調節我們的心率、血壓、呼吸和消化,它被分為兩大部分:交感神經和副交感神經系統,也分別被稱為「戰鬥或逃跑機制」和「放鬆與養生機制」。
大腦不斷在下丘腦的區域處理信息,下丘腦通過ANS發送刺激或放鬆的信號給身體各部分,這個系統能反應一個差勁睡眠、與你與老闆的不愉快互動、或有你得知好消息的興奮感,甚至是你午餐所享受的美味健康佳餚。我們的身體處理各式各樣的刺激,而讓生活繼續下去。但是,如果我們有持續的壓力、失眠、飲食不健康、人際關係紊亂、孤立或孤獨、缺乏運動等的情況發生,健康的平衡就被破壞,你的「戰或逃反應」可能轉成超速狀態。
為什麼要量HRV?
HRV是識別這些ANS不平衡的非侵入式方法。如果一個人的系統經常處於戰或逃模式,則心跳之間的變異就會小。如果一個人處於放鬆的狀態,心跳之間的變異就會很大。換句話說,ANS越健康,就有更強的彈性和靈活性,HRV呈現值就越高。在過去的幾十年裡,研究已證實低HRV和抑鬱或焦慮之間有直接的關係。低HRV甚至與死亡和心血管疾病的風險增加有關。
高HRV的人能有更高的心血管健康水平,也更能適應壓力。 HRV還可以提供個人生活方式的反饋,所以監測HRV有助於激勵那些正在努力邁向更健康生活的人。當一個人將更多的正念、冥想、睡眠,特別是運動融入到生活時,看看HRV如何變化,是非常有趣的。對於喜歡參考數據的人來說,這可以是一個很好的方式來監控神經系統如何對環境、情緒、想法和感覺而做出反應。
如何量測HRV?
電子技術的持續進步,使得構建能捕捉和處理人體生物信號的穿戴式產品成為可行。而在心率監測方面,設備製造商主要使用兩種技術: ECG(electrocardiography-心電圖)和PPG (photoplethysmography-光電容積脈搏波傳感器)。ECG傳感器測量控制心臟搏動的生物電位。反之,PPG傳感器使用光學技術來檢測由心臟泵送的血流速度,心臟跳動時,人體全身血管會產生微小波動,儀器射出一束光(如圖一)到人的手腕上,再用攝影機觀察反射的陰影。如果其中有微小變化,就認為心臟跳動一次。
圖一: PPG傳感器
要取得HRV這項數據,有很多種方法,主要分兩種:「時域分析」和「頻域分析」。穿戴式裝置都是用時域分析,它是用「間距的標準差」來計算,也就是各個「間隔」距離平均值的偏差程度。一般來說,「間隔」的取法是心電圖中R波最高峰之間的距離(R-R Intervals; RRI),見圖二。
圖二: 心電圖中R波最高峰之間的距離RRI
當R波精準量測出來後,就能得到RRI。例如某次測量時每個間距的變化的間距大小從0.6秒到1秒,平均是0.8秒。接著把這些間距的標準差計算出來即是HRV。標準差用來顯示數據的離散程度,標準差愈大表示各數據互相差異愈大。 最傳統的標準HRV分析是透過心電圖數據,就像我們在醫療院所裡把電極連接到胸部的測試。ECG可提取R峰間隔到毫秒精度,所以可在短時間測量就獲得有意義的HRV數據。使用PPG傳感器,由於LED的高功耗,RRI精度會受到可用採樣率的限制。這種量測方式只能用來推估,並非實際掌握RRI。雖然不夠精確,但還是可以得到一組間距數據來計算標準差。但值得提醒:使用PPG穿戴式裝置,脈搏頻率變化與HRV相關的時間較長(> 5分鐘),並不適用於短時間測量HRV。
從胸帶式ECG心跳帶所量到的RRI雖然比不上醫療設備量測的心電圖來得準確,但已經比手腕式或手指型的PPG裝置更為精確。在醫院裡,最少要用三個電極才能把其他P波、T波、U波都標示出來,畫出心電圖。使用胸帶式ECG心跳帶的限制是,當心臟跳動一下時,你會不確定取在「剛跳動」還是「已快跳完」,無法像心電圖的數據明確地抓到每一次跳動的R波的波峰所在位置。當然,我們無法每天都去醫院在胸口貼上電極測HRV,所以使用胸帶式心跳帶(如Polar; Wahoo; CardioSports),並下載App(如JoiiSports; Elite HRV; SweetBeats)來分析HRV數據,雖然略微不準,已是最簡單便宜的方法。圖三顯示利用CardioSports的胸帶式心跳帶透過 JoiiSports HRV功能模組所量測到的心率變異指標。
小結
每天早上醒來後檢查一次HRV,每週檢查幾次,尤其在採取健康促進活動時,追踪HRV有沒有變化。持續追踪HRV將會是激勵生活型態改變的重要工具。 HRV測量可以幫助個人了解生活和思維方式,以及行為如何影響自己的神經系統和功能。雖然追踪HRV無法幫助你避免壓力,但它可以幫助你了解如何以更健康的方式來應對壓力。利用大腦最原始的視覺洞察力,我們可將HRV視為一種健康促進工具。
參考資料
- https://www.health.harvard.edu/blog/heart-rate-variability-new-way-track-well-2017112212789
- http://neurosky.com/category/heart-rate-variability-hrv/page/2/
- 『跑者都該懂的跑步關鍵數據:透過跑錶解析自己的跑力,突破瓶頸,進行有效率的科學化訓練』作者:徐國峰, 莊茗傑臉譜出版, 出版日期:2016/06/02
- https://mhealthintelligence.com/news/wearables-can-help-people-with-heart-conditions-if-only-theyd-wear-them