一种用于与可穿戴设备配对以监测个人健康状况的应用程序

摘要

本方案介绍了一种非商业化的自主开发应用程序，用于采集实时现场数据，包括心理量表、GPS位置、心率和血氧饱和度水平，以及该应用程序的操作流程。以2020年在中国台湾开展的一项实证研究作为应用示例。

摘要

本方案旨在展示技术整合，详细描述如何在智能手机和智能手表上采用由台湾大学健康景观与健康人群实验室（HLHP-NTU）开发的 HealthCloud 应用程序，以采集用户实时的心理和生理反应数据以及环境信息。由于在景观与户外游憩研究的实地调查中，测量个人多维度数据存在困难，因此提出了一种灵活且集成的研究方法。本研究以2020年在台湾大学校园内开展的一项实地研究作为应用示例，排除无效样本后共使用了385名参与者的数据集。实验过程中，要求参与者在校园内自由行走30分钟，期间同步测量其心率、心理量表条目以及多项环境指标。本研究旨在提供一种可行方案，以协助实地研究追踪与环境因素相匹配的人体实时反应。由于该应用程序具有高度灵活性，其在可穿戴设备上的应用在多学科研究中展现出巨大潜力。

引言

实时数据采集
在日常生活中，人们以多种方式受益于物理环境。例如，已有大量研究发现接触自然环境可带来积极的心理¹和心率恢复效应²。此外，环境因素（如温度和湿度）与心理健康之间的关系也已被探讨^3,4。研究还探索了生理与心理反应之间的关联，例如心率与压力的关系^5,6,7,8。在严格控制的实验室研究中，已发现接触自然环境对心理和生理健康具有广泛益处的证据^9,10，但这些研究可能未能充分反映实际环境中复杂的多种影响因素。因此，为了测量实时人体反应之间的关系，现场研究被认为比实验室模拟更能真实反映现实生活中的体验及对环境的反应¹¹。此外，人类对环境的反应可能依赖于具体情境¹²。鉴于理解人群心理健康、生理健康与环境质量之间关系的重....

方案

整个实验方案遵循中国台湾大学研究伦理委员会办公室关于开展涉及人类实验的指导原则。在受试者招募过程中，通过口头和书面形式向候选人告知实验指导说明、权利及潜在风险，并收集已签署的知情同意书。该应用程序可安装在智能手机和智能手表上（参见材料表）。

1. 心理与生理实验的准备工作

1. 获取实验地点的相关信息，以便安排活动日程。
2. 根据实验方案实施的具体地点设计实验流程。
3. 获得伦理审批。
4. 准备实验介绍内容，用于招募参与者及提供操作说明。
   注意：说明内容应包括参与者需完成的任务，以及实验过程中应遵守的注意事项。
5. 在 HealthCloud 应用的后台网站中创建新的 字段名称，用于标记目标数据。
   1. 登录后台网站。
      注意：目前仅限合作研究人员访问该网站。
   2. 在应用数据库的 管理管理 模块下的 设置字段 中添加新的 字段名称，以标记实验期间收集的数据（图7）。
      注意：目标数据可在数据表中被快速识别和提取（图5

结果

原始样本包含423名个体，其中18人因应用程序测试版本不稳定导致数据质量较差而被排除，另有20人未能完成所有“随堂测验”题目。最终有效样本率为0.91。研究招募了来自中国台湾大学的385名学生（213名女性，172名男性）。参与者的年龄介于20至36岁之间（平均值 = 23.38，标准差 = 2.268）。在心理状态方面，共收集到514次偏好评分（PREF，平均值 = 3.74，标准差 = 1.033）、548次远离感评分（AWAY，平均值 = 3.51，标准差 = 1.101）以及523次着迷感评分（FSCN，平均值 = 3.30，标准差 = 1.135）。在生理反应（即心率，HR）方面，共收集到14,253个数据点（单位 = 每秒心跳次数，平均值 = 107.83，标准差 = 15.002）。在环境信息方面，共收集到14,253个与GPS纬度（LAT，平均值 = 25.018，标准差 = 0.002）和经度（LONG，平均值 = 121.539，标准差 = 121.533）相关的数据点、14,253个与温度（TEMP；单位 = 摄氏度，平均值 = 33.87，标准差 = 1.517）相关的.......

讨论

研究目的与重要发现
可穿戴设备（如智能手机和智能手表）已被广泛用于研究生理指标或综合征^32,33,34、心理状态^22,35、环境信息或行为^18,36。目前大多数智能设备的应用主要集中在个人某一方面信息的采集。据我们所知，本研究是少数能够对心理、生理和环境数据进行整合且灵活评估的研究之一。此外，不同于仅使用智能手机作为研究工具的研究^35,37，本方案利用智能手表提供移动式问卷，用于实时心理状态评估，并精确采集生理数据；而智能手机则用于数据的存储、处理和传输。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Apple Watch 6	Apple		用于 HealthCloud 应用程序的使用，例如弹出式问题、心率测量。
iPhone	Apple		用于 HealthCloud 应用程序的使用，例如 GPS 位置采集、天气数据采集、数据存储和数据传输。
HealthCloud	自主开发		HealthCloud 应用程序由台湾大学健康景观与健康人群实验室（HLHP-NTU）开发，采用 Apple Watch 和 iPhone，用于追踪人类反应。该应用程序集成了多个 API，如 HealthKit、ResearchKit、Weather API 以及 Apple Watch 应用程序（包括 Breathe 应用和 Blood Oxygen 应用），以采集生理状态、心理状态及环境数据，旨在进一步分析人类健康与环境信息之间的关系。 该应用程序在 App Store 中的链接如下：https://apps.apple.com/tw/app/healthcloud/id1446179518?l=en
后端网站			HealthCloud 应用程序的后端网站，用于任务配置、数据导出以及用户信息展示。 http://healthcloud.hort.ntu.edu.tw/
HealthKit	Apple		用于获取生理反应数据，如心率、心率变异性（HRV）和血氧饱和度水平。 HealthKit 链接： https://developer.apple.com/documentation/healthkit
ResearchKit	Apple		该工具包包含多种用于研究目的的任务。HealthCloud 应用程序中采用的功能包括图像采集任务、环境声音任务、Stroop 测试，以及用于心理状态测量的弹出式问题，如感知恢复性量表、景观偏好等。 ResearchKit 链接： https://www.researchandcare.org/
Weather API	OpenWeather		用于从最近的气象站收集实时环境数据，包括湿度、天气状况、全球定位系统位置、海拔等。 Weather API 链接： https://openweathermap.org/api
Breathe 应用	Apple		用于评估实时心率变异性（HRV）。本试点研究的流程中未包含此应用程序，但 HealthCloud 现已能够获取来自 Breathe 应用的 HRV 数据。 Breathe 应用链接： https://apps.apple.com/us/app/breathe/id1459455352
Blood Oxygen 应用	Apple		用于评估实时血氧浓度水平（SpO2）。最新版本的 HealthCloud 能够获取来自该应用的 SpO2 数据。本试点研究的流程中未包含此应用程序。 然而， Blood Oxygen 应用的测量说明： https://support.apple.com/en-us/HT211027 Blood Oxygen 应用链接： https://apps.apple.com/us/app/breathe/id1459455352"
IBM SPSS Statistics 25	IBM		用于统计分析。 Blood Oxygen 应用链接： https://www.ibm.com/support/pages/downloading-ibm-spss-statistics-25