《Frontiers in Physiology》：An observational study of the reliability and concurrent validity of heart rate variability devices in athletes
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本研究通过对比智能手机光电体积描记法（PPG）应用、Polar H10胸带与心电图（ECG）在37名运动员中的心率变异性（HRV）测量结果，发现三者均展现出良好的组内可靠性（ICC 0.83-0.92）。尽管胸带在精确度上优于PPG应用（RMSSD MAPE分别为2.16%和17.49%），但PPG应用因其便捷性和低成本，为运动员自主神经功能监测提供了可行的替代方案。
引言
心率变异性（HRV）是指连续心跳间期（R-R间期）的变异程度，被广泛认为是评估自主神经系统功能的关键生理指标，反映了交感神经与副交感神经的动态平衡。在生理应激状态下（如疾病、压力或高强度训练），由于副交感神经活动减弱和交感神经活动增强，心率节律的变异性会降低。因此，HRV的抑制常被用作指示生理应激的指标，并与运动员适应不良、表现下降以及过度训练的早期标志相关。尽管关于HRV指导训练是否能提升运动表现仍存争议，但HRV在运动员实际监测中的应用日益普及。
心电图（ECG）虽是HRV测量的金标准，但其依赖专业实验室设备、需 trained 人员及受控环境，限制了其在运动现场的常规应用。超短时记录（<5分钟）与可穿戴移动传感技术的结合已成为流行替代方案。其中，基于光电体积描记法（PPG）的设备和移动应用尤为常见。PPG是一种利用光源和光电探测器检测血容量变化的无创光学技术，但其易受运动伪影、手指放置差异及光线干扰等因素影响。目前，关于PPG传感器在单次会话内的可靠性尚未达成共识。本研究旨在评估基于手机摄像头的PPG HRV测量在运动员中与胸带及ECG金标准相比的组内可靠性和同时效度。
方法
研究设计
本研究为观察性研究，遵循可靠性与一致性研究报告指南（GRRAS）。参与者于同一天在实验室接受两次重复测试，HRV通过ECG、Polar H10胸带和CameraHRV智能手机应用同步记录。测试在温度与光线可控的安静房间内进行，参与者呈45°仰卧位，测试前休息5分钟以使自主神经稳定。每次记录时长为60秒，参与者闭眼自然呼吸。为评估可靠性，整个流程在相同条件下重复一次。
参与者
通过样本量计算，确定至少需34名参与者。最终纳入37名经常训练的参与者（17名女性，平均年龄21.95±3.69岁），其运动水平涵盖精英/国际级、高水平/国家级及训练/发展级运动员。排除标准包括已知的自主神经、心血管或呼吸系统疾病或服用影响心率的药物。
数据采集与处理
ECG采用三导联电极放置于左内踝、右内踝和右腕，使用Acqknowledge软件采集信号。Polar H10胸带按指南佩戴，数据通过Kubios HRV Scientific Lite软件处理。PPG测量使用CameraHRV应用（版本5.0.9），以30帧/秒采集信号，并通过立方样条插值将分辨率提升至180Hz。主要HRV指标为连续R-R间期差值的均方根（RMSSD）和相邻NN间期差值大于50ms的比例（pNN50）。
统计分析
使用组内相关系数（ICC）评估可靠性（ICC<0.5为差，0.5-0.75为中等，>0.75-0.9为良好，>0.9为优秀），变异系数（CV%）评估组内变异性（CV%<10%为低，10-20%为中等，>20%为高），平均绝对百分比误差（MAPE）和Bland-Altman图评估设备间一致性。
结果
可靠性
所有三种设备在RMSSD和pNN50上均表现出良好至优秀的组内可靠性（ICC范围0.83-0.92）。Polar胸带的一致性最高（RMSSD ICC>0.9），且变异性最低。PPG应用的可靠性也良好，但变异性较高（CV%约14.6%）。
有效性
与ECG相比，Polar胸带在RMSSD和pNN50上均表现出最小偏差和最高一致性（RMSSD MAPE为2.16%）。PPG应用与ECG的相关性较强（RMSSD Pearson r>0.9），但一致性界限较宽（RMSSD MAPE为17.49%）。Bland-Altman分析显示，PPG的偏差和变异性均大于胸带。值得注意的是，PPG在pNN50上的一致性略优于RMSSD。
讨论
本研究发现，在受控静息条件下，智能手机PPG应用能够可靠地测量运动员的HRV，其结果与ECG具有可比性。Polar胸带在几乎所有指标上均优于PPG应用，其与ECG的近乎完美一致性证实了其作为ECG替代方案的可靠性。这一结果与既往研究一致，表明在标准条件下，胸带和PPG技术均可实现高可靠性。
PPG应用读数与ECG值高度相关，但其固有的噪声源（如细微的手指移动）可能导致较高的变异性。尽管PPG的一致性界限宽于胸带，其强相关性和可接受的可靠性凸显了其实际应用价值。有趣的是，本研究中PPG的pNN50一致性优于RMSSD，这与一些先前研究认为RMSSD是更稳健的指标有所不同，这可能与60秒短时记录协议有关，因为pNN50对记录时长更为敏感。
本研究的优势在于将可穿戴和APP基HRV工具的验证扩展到运动员群体和短时记录场景。局限性包括仅评估了单次会话可靠性、PPG测量时可能因持握手机引入轻微肌肉收缩伪影、以及未包含频域参数（因需至少5分钟记录）。此外，短时记录的稳定性仍需更多研究。
实际应用表明，尽管胸带精度更高，但PPG设备在可及性和 affordability 方面具有显著优势，为缺乏专业设备的用户提供了实用的HRV监测选择。
结论
综上所述，Polar胸带和PPG应用相较于ECG在测量RMSSD和pNN50时均表现出可接受的组内可靠性和有效性。胸带在准确性和精密度上更优，而PPG应用则提供了更具性价比和便捷性的替代方案。设备选择应基于实际应用场景对精度的要求。在精英运动等对精度要求极高的场景下，胸带是更可靠的选择；而对于大众健身或日常监测，PPG应用则是一个可行的工具。
