腕部与臂部可穿戴设备在不同强度体力活动中的心率监测准确性验证研究

推荐：为解决可穿戴设备在真实场景中心率(HR)监测的准确性问题，研究人员对比评估了Polar Verity Sense(臂戴)和Vantage V2(腕戴)与ECG金标准H10的性能。结果显示Verity Sense在上臂佩戴时表现最优(MAE 1.43 bpm，CCC=1.00)，而腕戴设备在剧烈活动中误差显著。该研究为运动医学和健康监测领域提供了设备选型的重要依据。

　　

在健康监测和运动科学领域，心率(HR)作为反映心血管功能和生理状态的核心指标，其准确测量至关重要。尽管基于心电图(ECG)的胸带(如Polar H10)被视为金标准，但日常使用中存在舒适性差、易位移等问题。近年来，采用光电体积描记术(PPG)的腕部/臂部可穿戴设备因其便捷性迅速普及，但其准确性受佩戴位置、运动伪影和血流变化等因素影响显著。更令人担忧的是，超过半数商用设备缺乏独立验证，且现有研究多局限于实验室条件下的标准化运动，难以反映真实场景中的复杂情况。

瑞士联邦体育学院Magglingen研究所的科研团队在《JMIR Cardio》发表了一项突破性研究。他们设计了一套包含9种强度梯度活动(从静卧到高强度间歇训练HIIT)的自然主义实验方案，通过同步对比臂戴式Verity Sense、腕戴式Vantage V2与ECG-H10的测量数据，系统评估了不同佩戴位置对HR监测的影响。研究采用双盲重复测试设计，运用均值误差(MAE)、一致性相关系数(CCC)等6种统计方法，对16名健康受试者产生的14,653个数据点进行分析。

在方法学层面，研究团队创新性地构建了多维度验证体系：首先通过时间戳同步解决ECG与PPG信号延迟问题；其次建立三类artifact过滤标准(HR<30 bpm、>230 bpm或相邻值差>15 bpm)；最后采用10秒平均化处理提升数据稳定性。所有统计均通过Python 3.12实现，严格遵循INTERLIVE Network的验证规范。

主要发现呈现显著差异：

1. 上臂佩戴的卓越性能
   Verity Sense在上臂位置展现出近乎完美的准确性：系统偏差仅-0.05 bpm，MAE低至1.43 bpm，与ECG的相关系数r=1.00。即使在HIIT等剧烈运动中仍保持MAPE<1.35%，显著优于既往研究的腕戴设备。

2. 腕部设备的局限性
   Vantage V2在非优势腕测量时出现2.56 bpm的系统性高估，MAE升至6.41 bpm。其性能呈现明显的"强度依赖性"——在静卧时WSCV高达23.03%，而骑行时降至3.64%，揭示运动伪影和末梢血流对腕部PPG信号的严重影响。

3. 解剖位置的影响机制
   研究首次量化比较了上肢不同节段的监测差异：上臂因肌肉丰厚、血流稳定，其PPG信号质量显著优于前臂(MAE:1.43 vs 7.07 bpm)和腕部。这种差异在重量训练等复合动作中尤为突出，可能与近端血管的脉动特性相关。

讨论部分指出，该研究通过自然主义实验设计揭示了穿戴式HR监测的三个核心规律：

1. 解剖位置决定监测下限，上臂PPG可达到与ECG胸带相当的临床级精度；
2. 运动强度通过"血流-伪影耦合效应"影响腕戴设备性能，其误差在低HR区间放大；
3. 设备固件更新带来显著改进，Verity Sense的MAPE较前代OH1降低约40%。

这些发现对运动医学实践具有双重指导价值：对于需要精确HR数据的专业运动员和心脏康复患者，推荐优先选择上臂佩戴方案；而普通用户的日常活动监测，腕戴设备在中等强度以上仍具实用价值。研究同时呼吁建立穿戴设备的分级验证标准，将佩戴位置纳入性能评价体系。该成果为2023年INTERLIVE Network的穿戴设备指南提供了关键证据，推动健康监测技术向精准化、场景化方向发展。