计算脑瘫青少年在主动视频游戏期间基于心电图数据的心率变异性

摘要

本方案描述了一种从心电图（ECG）波形计算心率变异性（HRV）的方法。该方法利用青少年在进行主动视频游戏（AVG）期间连续心率（HR）记录中的波形，评估脑性瘫痪（CP）青少年的有氧运动能力。

摘要

本研究旨在建立一种从心电图（ECG）波形计算心率变异性（HRV）的方法。心电图波形由脑瘫（CP）青少年参与者在进行主动视频游戏（AVG）训练期间佩戴的心率监测器记录。AVG训练的设计目的是促进参与者的身体活动和体能（有氧能力）。研究目标是评估将AVG作为物理治疗（PT）干预策略的可行性。为每位参与者确定了最大心率（mHR），并针对20分钟AVG训练中的三个运动阶段分别计算目标心率区间（THRZ）：热身阶段（40–60% mHR）、训练阶段（60–80% mHR）和整理阶段（40–60% mHR）。每位参与者在AVG训练中完成三轮各20分钟的游戏。所有游戏均在坐于长凳上进行，因为许多脑瘫青少年无法长时间站立。每种游戏条件有所不同，参与者分别仅使用手部图标、手部与脚部图标结合，或仅使用脚部图标来收集物体。游戏（名为KOLLECT）的目标是收集物体以获得分数，并避开危险以避免扣分。危险元素仅在热身和整理阶段使用，以促进较慢且受控的运动，使心率维持在目标心率区间（THRZ）内；而在训练阶段不设置危险元素，以促进更高强度和更剧烈的身体活动。采用分析方法从ECG数据中提取HRV指标（选择的时间域和频率域参数），以评估有氧负荷。近期HRV的应用研究表明，短期测量（5分钟片段）是合适的，且HRV生物反馈可能有助于改善多种健康状况下的症状及生活质量。尽管心率（HR）是评估物理治疗干预中有氧表现和运动强度的公认临床指标，HRV则可进一步提供有关自主神经系统功能、恢复状态及在AVG训练期间适应性反应的信息。

引言

脑性瘫痪（CP）是儿童时期最常见的身体残疾¹。CP 是由于发育中的大脑受到神经性损伤所致，常伴随肌肉无力、痉挛、失健、运动控制能力下降和平衡障碍等运动功能障碍^2,3。CP 本身并非进行性疾病，但随着年龄增长，由于生长发育对已受损的神经肌肉和肌肉骨骼系统带来更高负荷，患儿相较于典型发育（TD）同龄人往往体力活动减少，久坐行为增多⁴。

脑瘫青少年通常接受物理治疗（PT）服务，以改善功能性活动能力，并促进身体活动和体能（如有氧耐力和肌肉耐力）²。然而，往往难以获得足够的物理治疗服务和社区资源来实现并维持这些物理治疗目标^5,6。主动式视频游戏（AVG）可能是在临床、家庭或社区环境中实施基于活动的物理治疗干预的一种可行策略^7,8。商业化的主动式视频游戏在调整游戏玩法以适应脑瘫青少年的特定需求和物理治疗目标方面灵活性有限⁹。然而，定制化的主动式视频游戏....

方案

  已获得机构审查委员会批准。所有青少年在参与前均提供了书面同意书，家长也提供了知情同意。

1. AVG 数据采集会话

1. AVG 游戏环节
   1. 在本研究中，让患有脑性瘫痪（CP）的青少年参与一次 AVG 游戏环节，该环节包括三个各持续 20 分钟的游戏。有关青少年的人口统计学信息，请参见表 5。预计总共进行 30 场游戏；但由于一名受试者在其 AVG 环节中仅进行了 2 场游戏，因此实际完成了 29 场游戏。
   2. 在整个实验过程中，让受试者佩戴心率（HR）监测器，以记录心率和心电图（ECG）反应。
   3. 在 AVG 游戏环节中，让青少年坐在长凳上进行游戏，双脚平放于地面，膝关节和髋关节屈曲至 90 度（90/90 坐姿），以提供姿势支撑和稳定性。
   4. 采用以下三种游戏条件来收集目标：1）仅使用手部图标；2）仅使用足部图标；3）同时使用手部和足部图标。在不同受试者之间采用平衡顺序。选择这三种条件的目的是确定哪种方式在促进身体活动和体能方面更有效，同时又不至于过于繁重而导致过早的不必要疲劳。
      注：每款游戏均根据运动处方的阶段设计：热身、训练和整理阶段。[请参见表 1]。此外，在游戏开始前设置一个静息阶段，用于记录基线心率，在游戏结束后设置一个恢复阶段，用于记录心率恢复至基线水平所需的时间。
   5. 在每场游戏之间允许受试者休息，使心率恢....

结果

该方法可提供用于分析新开发的方法对受试者心率变异性（HRV）影响的数据。通过定位受试者心电图（ECG）数据中QRS波形的R波部分（如图6所示），并据此计算多种HRV指标来实现这一目的。若心率监测器与受试者接触良好，则所获取的数据将较为均匀，从而显著减少校正需求（如图4所示）。

阈值应设置为能够处理如图所示的杂乱且不规则的数据 图1 和 图2如果由于心率监测器与皮肤接触的瞬时变化导致数据变异性较大，初始分析可能会错误地标记峰值，如图所示 图3此错误可通过手动校正数值或按照方案第3节所述添加额外数据点来修正。调整阈值水平以及峰间.......

讨论

共有十名脑瘫青少年参与了本研究（均值 ± 标准差）[年龄（岁）= 15.53 ± 3.57；身高（cm）= 154.8 ± 12.6；体重（kg）= 50.69 ± 11.1；体重指数（BMI）= 50.46 ± 29.2；最大心率（mHR 9 bpm）= 186.8 ± 12.4]。患者人口统计学信息详见表5。

在使用心率监测器及其相关的心率（HR）和心率变异性（HRV）测量指标时，需考虑一些与调整和故障排除相关的问题。无论采用何种技术获取数据，都会明显遇到两个问题：1）运动伪影；2）异位搏动。通常通过采集RR间期数据后的后处理步骤来解决由运动伪影和异位搏动引起的问题^{12,13,18,22,26}。对后处理操作进行故障排除时，.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
BioHarness 蓝牙模块（电子传感器）	泽菲尔	9800.0189	检测心率、呼吸频率、体位和皮肤温度。
BioHarness 胸带	Zephyr	9600.0189, 9600.0190	尺码 小号 XS-M，大号 M-XL
BioHarness 充电底座 &和 USB 数据线	Zephyr	9600.0257	用于将数据从模块传输至计算机进行分析。
BioHarness Echo 网关	Zephyr	9600.0254	可实时观察受试者的心率。
MATLAB R2016a	Mathworks	1.7.0_.60	适用于所有编程。