光電容積脈搏波描記法(PPG)測試足球運動員賽時心率的準確性研究

玉溪師范學院體育學院 汪 雄 陳玉林

華南師范大學體育科學學院 張恒亮 王 壘 黃國虎 劉鴻優

1 前言

光電容積脈搏波描記法（Photo Plethysmo Graphy，以下簡稱PPG）是通過光電手段在活體組織中檢測血液容積變化的一種無創檢測方法[1]。PPG可運用于人體血液、心臟和呼吸相關參數的無創檢測，較為成功的臨床應用為監護儀中的血氧和脈率檢測[1]。由于PPG所具有的無創性、方便性、簡潔性、穩定性等優點，使其應用價值不局限于醫院中的臨床檢測、監護、急救體能測試，還可應用于社區、家庭和學校的身體指標和運動量監控，服務于大健康領域。時下興行的智能手環和臂環等裝備更是將PPG融入其中，運用于監控運動中的人體實時心率，試檢驗，只有數據足夠準確的前提下，才能充分發揮該方法在運動與大健康領域內的應用價值[2,3]。

2 研究方法

2.1 實驗測試

本研究選取內置了PPG功能的“簡極-茵戰K1(GENGEE INSAIT K1)”智能足球運動表現分析系統作為測試工具，借鑒前人類似研究的實驗設計方法[3]，通過測試模塊間的數據比對的方式對PPG測試運動中人體心率的準確性進行了實驗測試。測試的運動項目為參與人數較多、運動形式較為復雜足球項目。測試對象為隨機選取的研究依托單位的20名大學生女子足球運動員（年齡：20.3±1.9歲，身高163.76.5cm，體重55.4±5.8kg）。20名被試被分為4個隊伍，同時進行兩場持續30分鐘的五人制足球比賽，每名被試輪流充當6分鐘的守門員。每名被試同時佩戴兩個GENGEE INSAIT K1測試器模塊參賽。

2.2 數據分析

測試比賽完成后，每名被試身上的兩個測試模塊的數據都被導入到個人電腦中進行處理，生成出賽時最大心率、賽時平均心率、90-100%最大心率比賽時間、80-89%最大心率比賽時圖科學合理地量化運動負荷，降低運動損傷風險，提高體育鍛煉效果，甚至提升競技運動表現。

表1 兩個不同PPG測試模塊采集的足球運動員賽時心率相關指標數值一覽表

盡管PPG采集心率數據時具有諸多優勢，但是要將采集到的數據運用于指導運動鍛煉、競技運動訓練和相關科學研究，必須先對該方法跟蹤獲得的運動中人體心率數據的準確性進行間、70-79%最大心率比賽時間、60-69%最大心率比賽時間、<60%最大心率比賽時間7個測試指標。通過對比兩個測試模塊生成的每名被試的每一項指標的均值、標準差、標準化均值變化(Standardised Change in Mean，SCM)、標準化典型誤差(Standardised Typical Error，STE)和組間相關系數(Intra-class Correlation，ICC)來檢驗PPG測試足球運動員賽時心率的準確性。

3 研究結果與分析

表1展示了內置PPG功能的“簡極-茵戰K1(GENGEE INSAIT K1)”智能足球運動表現分析系統對20名足球運動員進行測試時，又不同測試模塊生成出的心率相關參數的具體數值。

前人的研究成果認為，同一個測試系統由不同的人員操作或者同一個測試系統的不同模塊對同一個被試進行測試時，生成的數據之間的標準化均值變化值處在-0.2到0.2之間，這證明測試誤差為微小無意義誤差；標準化典型誤差在0.6以下，測試誤差為可接受的小誤差；而組間相關系數達到0.75以上，則證明該系統的準確性極高[3,4]。由表1可見，GENGEE INSAIT K1系統在采集足球運動員賽時最大心率、賽時平均心率和各個心率段內的比賽時間等7項心率相關參數時，模塊間輸出數據標準化均值變化值處于-0.13到0.13之間，標準化典型誤差處在0.15和0.53之間，而組間相關系數則介于0.80和0.98之間，證明該系統在測試足球運動員的賽時心率時具備足夠的準確性。

4 結論

實驗研究結果顯示，將PPG融入智能臂環系統內，用于測試足球運動員賽時心率相關參數時，具備足夠的準確性，采集到的數據可以運用于指導運動鍛煉、競技運動訓練和相關科學研究等用途。