基于多通道心震图信号的心肺相互作用监测：传感器位置对呼吸监测精度的影响研究

《Physical and Engineering Sciences in Medicine》：Monitoring of respiration and cardiorespiratory interactions from multichannel seismocardiography signals

　　本研究针对心震图(SCG)传感器位置对呼吸监测精度影响不明确的问题，通过分析16通道加速度计信号，首次实现了SCG形态变化的连续描述。研究发现基于胸廓倾角(R-SCG)和形态相似性指数(MSi)的方法在呼吸动作检测中灵敏度达95.8%/94.3%，证实了SCG在多部位监测呼吸和心肺相互作用的可行性，为可穿戴医疗设备开发提供了重要依据。

　　

心脏如同"压力腔中的压力腔"，被肺脏包裹在胸腔之中。这种特殊的解剖结构决定了心脏和肺部会通过直接接触和相连血管相互施加压力，形成复杂的心肺相互作用(cardiorespiratory interactions)。当呼吸引起胸腔内压力变化时，会改变心脏的前负荷、后负荷和收缩力，进而影响心瓣膜的压力梯度，最终导致心室收缩的起始时间、持续时间和力量发生变化。这些相互作用会反映在心机机械信号上，表现为各种特征的调制，主要是振幅和特定基准点之间的时间距离的变化。

传统的心机机械监测技术如心冲击图(BCG)、心音图(PCG)、心震图(SCG)和心力图(FCG)等，通过记录心血管系统机械活动产生的微小身体振动来评估心脏功能。其中，SCG使用微机电系统(MEMS)制造的轻量加速度计测量胸部的加速度，已成为一种重要的无创心脏监测手段。然而，呼吸活动对SCG信号的影响机制尚未完全阐明，特别是传感器放置位置对呼吸信息提取的影响缺乏系统研究。

以往的研究多集中于离散描述SCG形态变化，如Taebi和Mansy仅考虑了高肺容量和低肺容量两种状态下的SCG波形相似性。而Dhar等人虽然将呼吸周期分为八个阶段进行分析，但仍未提供连续的形态变化描述。此外，既往研究通常只在胸骨剑突、第四肋间或锁骨中线区域等有限位置采集SCG信号，无法全面评估传感器位置对监测效果的影响。

针对这些研究空白，来自意大利那不勒斯腓特烈二世大学、丹麦奥尔堡大学和意大利萨莱诺大学的研究团队在《Physical and Engineering Sciences in Medicine》上发表了一项创新性研究，系统探讨了加速度计放置位置对从SCG信号中监测呼吸和心肺相互作用精度的影响。

研究团队采用了一种新颖的方法论框架，通过分析公共数据库中的多通道SCG信号，从三个不同角度提取呼吸信息：胸廓倾角（直接监测呼吸运动）、SCG信号的振幅调制(AM)以及形态变化。特别值得一提的是，该研究首次通过形态相似性指数(MSi)实现了对SCG形态变化的连续描述，突破了以往研究的离散描述局限。

技术方法上，研究人员分析了9名健康受试者的16通道SCG信号，这些信号通过4×4加速度计矩阵采集，同时记录呼吸腰带信号作为参考。主要技术包括：信号预处理（插值至1kHz采样率，带通滤波）；从y轴SCG信号提取胸廓倾角呼吸信号(R-SCG)；从z轴SCG信号提取高频成分(HF-SCG)并分析其振幅调制；应用模板匹配算法计算形态相似性指数(MSi)；通过检测吸气峰来评估呼吸动作识别和心搏间期(IBIs)估计的性能。

呼吸动作检测性能

研究结果显示，三种呼吸信号均实现了高精度的呼吸动作检测。基于胸廓倾角的R-SCG信号表现最佳，平均敏感度和阳性预测值分别达到95.8%和95.5%。基于形态相似性指数(MSi)的方法也表现出色，相应指标为94.3%和95.7%。而基于振幅调制(AM)的方法稍逊，为85.9%和84.4%。值得注意的是，胸廓倾角和MSi方法的性能受传感器位置影响较小，而AM方法在不同位置间表现出较大变异。

IBIs测量的统计分析

心搏间期(IBIs)估计的准确性通过Passing-Bablok线性回归、相关性和Bland-Altman分析进行评估。R-SCG和MSi信号得出的IBIs测量值显示出非显著的偏差，一致性界限约为±0.8秒，而AM方法的一致性界限略宽，约为±1秒。相关系数分析表明，R-SCG和MSi信号的IBIs估计与参考信号高度一致，相关系数分别超过0.91和0.94。

传感器位置的影响

研究发现，基于胸廓倾角和MSi的呼吸监测方法对传感器位置的依赖性较低，在胸部16个不同位置均能保持稳定的性能。这表明这些方法在实际应用中具有较好的鲁棒性，为可穿戴设备的设计提供了灵活性。而AM方法的性能则表现出较高的位置依赖性，可能与不同位置处心脏振动传播路径的差异有关。

讨论部分指出，SCG信号的振幅调制可能源于两个主要现象：一是固定的加速度计与随膈肌运动的心脏之间相互距离的变化，改变了到达胸表面的心脏振动的衰减；二是胸腔内压力的变化，心脏通过增加收缩力产生更强大的振动来应对。此外，肺容积的变化不仅改变了心脏振动传播路径的长度，还改变了路径上材料的机械特性，这可能导致SCG信号整体形态的变化。

该研究的创新性体现在三个方面：首次提供了SCG形态变化的连续描述；对呼吸与SCG信号变化之间的关系进行了全面评估；首次探讨了传感器放置对从SCG提取呼吸信息的影响。这些发现为理解心肺相互作用提供了新的视角，也为开发更加精准的可穿戴医疗设备奠定了理论基础。

然而，研究也存在一定局限性。实验仅考虑了仰卧位静息状态下的SCG记录，无法评估体位和运动的影响；仅分析了平静呼吸状态下的数据，无法研究不同呼吸速率和深度下的心肺相互作用；受试者均为年轻健康个体，而心肺相互作用会随年龄和心肺疾病发生变化。

总结而言，这项研究证实了通过SCG在胸部多个部位准确获取呼吸和心肺相互作用信息的可行性。基于胸廓倾角和形态变化的监测方法受传感器位置影响小，具有较好的临床应用前景。未来研究可扩展至更大规模的人群，包括老年人和心肺疾病患者，并考虑不同体位、运动状态以及更广泛的呼吸参数范围，进一步推动SCG技术在 pervasive monitoring 中的应用。