皮肤色素沉着对光电容积脉搏波心率测量准确性与数据质量的影响：基于个体类型角(ITA°)的客观评估

本研究针对皮肤色素沉着是否影响光电容积脉搏波(PPG)心率(HR)测量准确性这一争议问题，首次采用个体类型角(ITA°)客观量化皮肤色素沉着，通过对28名健康成年人进行静息、运动及恢复期多设备测试，发现肤色深浅仅对SlateSafety设备产生约1 bpm的微小误差，但深肤色参与者普遍存在数据缺失率偏高(36%-85%)和异常值增多(56%-62%)的现象，为可穿戴设备在多元人群中的精准健康监测提供了重要实证依据。

　　

随着全球可穿戴设备市场预计到2030年将达到1860亿美元，光电容积脉搏波(photoplethysmography, PPG)技术已成为心率监测的主流方案。这项技术通过LED光源照射皮肤并检测血管床反射光强度的周期性变化来推算心率。然而，深色皮肤中较高的黑色素含量可能会吸收更多525 nm波段的绿光——这正是多数设备采用的波长，从而理论上会影响测量精度。尽管已有研究关注肤色对PPG心率测量的影响，但结论却充满矛盾：有些研究发现深肤色会导致更大误差，有些则认为无显著差异，还有研究得出混合结果。更关键的是，以往研究普遍依赖主观的肤色分类量表（如Fitzpatrick皮肤类型），这类方法存在分类模糊、评分者间一致性低等问题，特别是对深肤色的区分能力有限。

为解决这一方法论缺陷，本研究首次采用色度计客观量化皮肤色素沉着，通过个体类型角(Individual Typology Angle, ITA°)这一与表皮黑色素含量高度相关(R2=0.96)的指标，系统评估了皮肤色素沉着对静息、运动和恢复期间PPG心率测量准确性与数据质量的影响。

研究人员招募了28名健康成年人（54%为女性），包括白种人(n=16)、黑种人(n=10)、中东和波斯人各1名，其中46%为自我报告的有色人种。使用色度计在设备佩戴部位（手腕和上臂）测量皮肤色素沉着并计算ITA°值，范围从-63.2°到+63.4°，其中36%的参与者平均ITA°低于10°（定义为深肤色）。参与者佩戴 Polar H10 胸带式心率监测器作为 criterion 设备，同时测试三款PPG设备：Apple Watch Series 8（腕部）、Garmin vivosmart 5（腕部）和SlateSafety BAND V2（上臂）。在控制环境条件下（22.4°C，41%湿度），进行静息、分级骑行运动（50%-80%年龄预测最大心率）和恢复期监测，所有心率数据以30秒为周期进行平均化处理。

通过线性混合效应模型分析发现，ITA°仅能显著预测SlateSafety设备的平均绝对误差(MAE_HR)（β=-0.011, P=0.001），而对Apple（P=0.62）和Garmin（P=0.29）设备无显著影响。具体而言，即使从最浅到最深肤色，SlateSafety的MAE_HR差异仅约1 bpm。所有设备与criterion心率的相关性极强（重复测量相关系数rm=0.99-1.00），Bland-Altman分析显示Apple和Garmin具有“优秀”一致性（95% LoA≤5 bpm），SlateSafety为“良好”（95% LoA≤10 bpm）。

然而，数据质量分析揭示了重要问题：Apple（7%）和SlateSafety（20%）设备的数据缺失 disproportionately 发生在深肤色参与者中（分别占50%和85%），所有设备的异常值也有56%-62%集中于深肤色群体。这表明尽管测量准确性受影响较小，但数据可靠性存在显著肤色差异。

主要技术方法包括：1）使用色度计（Konica Minolta CR-400）客观测量皮肤ITA°值；2）以 Polar H10 为criterion设备同步采集多设备PPG心率；3）分级运动方案（50%-80% HR_max）涵盖静息、轻至剧烈强度及恢复期；4）线性混合效应模型分析ITA°与MAE_HR的关系；5）Bland-Altman重复测量一致性评估。

数据质量

深肤色参与者（ITA°<10°）在Apple和SlateSafety设备中呈现出显著更高的数据缺失率（36%-85%）和异常值发生率（56%-62%），表明肤色对数据可靠性存在系统性影响。

设备准确性

三款设备均表现出与criterion心率的高度一致性（rm≥0.99），其中腕戴设备（Apple和Garmin）的误差更小（MAE_HR<5 bpm），且不受ITA°影响；而上臂式设备（SlateSafety）虽存在微小肤色相关误差，但仍符合国际标准（ANSI/AAMI EC13）要求。

皮肤色素沉着对设备准确性的影响

线性混合效应模型证实，criterion心率是所有设备MAE_HR的共同预测因子（心率升高则误差减小），但ITA°仅对SlateSafety有显著影响（P=0.001），且效应量有限（约1 bpm）。

本研究通过客观测量皮肤色素沉着，证实了在低运动伪影条件下（如骑行），肤色深浅对主流腕戴式PPG设备的心率测量准确性影响甚微，但深肤色用户可能面临更高的数据丢失风险。这一发现解决了既往研究因主观肤色分类造成的结论不一致问题，为可穿戴设备在多元人群中的公平应用提供了科学依据。未来研究需进一步探索运动伪影与黑色素的交互作用，以全面评估真实场景下的设备性能。

论文发表于《European Journal of Applied Physiology》，通讯作者Anne M. Mulholland来自默瑟大学运动科学系（美国佐治亚州）和阿拉巴马大学运动学系（美国阿拉巴马州）。