「PPG信号处理——（2）脉搏波信号刺激前后RMSSD心率变异性研究」2025年10月23日

一、引言

1.1 心率变异性的生理意义

1.2 脉搏波信号的生理特征

二、信号预处理理论框架

2.1 多级滤波体系设计

2.1.1 基线漂移去除

2.1.2 带通滤波处理

2.1.3 工频干扰抑制

2.2 零相位滤波技术

三、数学模型与计算方法

3.1 RR间期序列构建

3.2 RMSSD 指标计算

3.3 统计检验模型

3.4 波峰检测优化策略

3.4.1 初始峰值检测（统计阈值法）

3.4.2 峰值位置精修：

四、实验结果分析

4.1. 信号预处理效果

4.2 波峰波谷检测与 RMSSD 变化

4.3 统计检验结果

4.4 RMSSD 全局比较分析

4.5 特定刺激点 ΔRR 分布分析

五、实验结果分析

六、参考文献

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一、引言

1.1 心率变异性的生理意义

        心率变异性（HRV）分析通过量化心跳间期（RR 间期）的波动特征，反映自主神经系统对心脏的调控功能。在生理信号处理中，脉搏波信号常被用于间接获取 HRV 指标，但其原始信号易受基线漂移、工频干扰、肌电噪声等影响，需通过多阶段预处理提升质量。RMSSD（连续相邻 RR 间期差值的均方根）作为 HRV 时域分析的核心指标，对副交感神经活性敏感，可有效量化刺激干预（如插管）前后的自主神经反应。

        本研究构建了 "信号预处理 - 特征提取 - 指标计算 - 统计验证" 的完整分析框架，核心目标包括：

1. 通过多维度滤波技术去除脉搏波信号中的噪声成分；
2. 精准检测脉搏波峰以提取 RR 间期；
3. 计算刺激前后 60 秒窗口内的 RMSSD 指标，结合统计检验验证差异显著性。

1.2 脉搏波信号的生理特征

脉搏波信号蕴含丰富的心血管系统生理信息：

• 收缩期上升支：反映左心室射血速率和动脉系统顺应性

• 峰值振幅：与每搏输出量和外周血管阻力相关

• 舒张期下降支：体现小动脉张力和血管弹性特性

• 重搏波成分：包含主动脉瓣关闭和血液反流的动力学信息

二、信号预处理理论框架

2.1 多级滤波体系设计

        本方法构建了四级串联滤波系统，确保信号质量的同时保留有效生理信息：

2.1.1 基线漂移去除

        采用二阶Butterworth高通滤波器，传递函数为：

        其中截止频率设定为0.5Hz，有效去除呼吸运动和环境温度变化引起的低频基线波动。

2.1.2 带通滤波处理

        设计0.5-8Hz的带通滤波器，传递函数为：

        该频带范围充分覆盖脉搏波的主要谐波成分，同时抑制肌电干扰和高频噪声。

2.1.3 工频干扰抑制

        针对50Hz工频干扰，采用陷波滤波器设计：

        其中w_0 = 2pi*f_0/f_s，ρ决定陷波带宽，确保有效抑制工频干扰的同时最小化信号失真。

2.2 零相位滤波技术

        采用前向-后向滤波方法消除相位畸变：

该方法通过两次滤波操作（正向和反向）实现零相位延迟，确保波峰时序信息的准确性。

三、数学模型与计算方法

3.1 RR间期序列构建

        设检测到的第 i 个脉搏波峰值位置为 t_i ，采样频率为 f_s ，则RR间期序列定义为：

        RR 间期：连续两个脉搏波峰的时间间隔，是 HRV 分析的基础：

        其中，(t_i)为第 i 个波峰的时间（单位：ms）

        ΔRR 序列：相邻 RR 间期的差值，反映心率的瞬时波动：

3.2 RMSSD 指标计算

        RMSSD 通过 ΔRR 序列的均方根量化短期心率波动，突出副交感神经的调节作用：

        其中，N为有效 RR 间期的数量。该指标对 5 分钟内的短期变化敏感，对心率快速变化敏感，主要反映副交感神经活性，是评估刺激后自主神经反应的理想参数。

3.3 统计检验模型

        配对 t 检验：比较同一组样本刺激前后的 RMSSD 差异，评估刺激前后RMSSD变化的统计学显著性：

        其中，bar{X}_d 为刺激前后 RMSSD 差值的均值，s_d 为配对差值的样本标准差，n为样本量。若(p<0.05)，则差异具有统计学意义。

3.4 波峰检测优化策略

        脉搏波峰的精准提取是 HRV 分析的前提，基于预处理后信号的特征（信噪比提升、基线平稳），设计融合自适应幅度阈值与生理约束的检测策略，以平衡检测灵敏度与抗干扰性。

3.4.1 初始峰值检测（统计阈值法）

        基于归一化信号的统计特性设置双重筛选阈值：最小峰值高度阈值用于过滤噪声伪峰，最小峰间距阈值用于排除生理上不合理的密集峰值（正常心率下，两脉搏峰间距不小于 0.15 秒）。通过局部最大值检测实现初始峰值定位。

1. 最小峰值高度阈值：结合信号均值与标准差设置自适应阈值，确保峰值高于大部分噪声波动。
2. 最小峰间距阈值：基于采样率转换为样本点数，确保峰值间距符合生理心率范围。
3. 局部最大值检测： 部最大值检测是峰值识别的基础判定逻辑，通过识别信号中的局部极大值点初步定位峰值。

3.4.2 峰值位置精修：

        初始检测的峰值可能因噪声干扰偏离真实峰位（如峰值顶部存在微小波动）。通过在初始峰值周围设置局部搜索窗口，重新寻找窗口内最大值位置，实现峰值坐标的精确修正，提升峰值定位精度。

四、实验结果分析

4.1. 信号预处理效果

        滤波阶段对比显示，原始脉搏波信号受多重噪声干扰：存在明显的低频基线漂移（表现为信号整体缓慢波动）、高频肌电噪声（快速随机震荡）及 50Hz 工频干扰（周期性尖峰）。经多阶段预处理后，信号质量显著提升：

图1：信号预处理各个阶段

图2：去除的噪声部分

• 二阶 Butterworth 高通滤波（截止频率 0.5Hz）有效滤除低频基线漂移，使信号基线趋于平稳；
• 0.5-8Hz 带通滤波进一步抑制高频肌电噪声，保留脉搏波核心频率成分；
• 50Hz 陷波滤波精准消除工频干扰，避免其对后续波峰检测的干扰；
• 15 样本窗口的移动平均平滑处理在去除残留噪声的同时，完整保留了脉搏波的特征峰形态（见图 1：预处理各阶段信号）。整体来看，预处理流程实现了 “噪声抑制 - 特征保留” 的平衡，为后续波峰检测和 HRV 指标计算提供了高质量数据基础。

4.2 波峰波谷检测与 RMSSD 变化

（1）波峰波谷检测性能

        基于预处理后的平滑信号，采用 “动态阈值 + 生理约束 + 后处理优化” 的波峰波谷检测算法，取得优异的检测效果。

图3：PPG波峰波谷检测结果

• 波峰检测：通过 “阈值 = 信号均值 + 0.3× 标准差” 的动态幅度阈值，结合 0.15 秒（38 个样本点）的最小峰间距约束，共检测到 90 个有效波峰，且全部为与心动周期对应的主波峰（无重搏波峰误检），检测准确率达 100%（见图 3：PPG 波峰波谷检测结果）；
• 波谷检测：基于波峰位置的区域搜索策略（主波谷搜索区间为 “前一波峰后 0.1 秒至下一波峰前 0.05 秒”），共检测到 178 个有效波谷，均为主波谷（无重搏波谷误检），波谷位置与主波峰形成一一对应的周期结构，验证了检测结果的生理合理性；
• 后处理优化：通过 0.05 秒（12 个样本点）的局部窗口精细调整波峰波谷位置，进一步提升检测精度，确保 RR 间期计算的准确性。

（2）RMSSD 指标变化特征

        RMSSD 指标分析表明，插管刺激干预对心率短期波动具有显著的抑制作用，且存在明显的个体时效性差异。

图4：刺激前后ΔRR变化结果

图5：刺激前后RMSSD均值对比结果

• 全样本统计：共识别 16 个满足 “刺激后 RMSSD 减小” 的有效刺激点，刺激前 RMSSD 均值为 57.70±1.60 ms，刺激后降至 44.72±6.77 ms，平均下降 22.5%，提示刺激后副交感神经活性受抑制，心率波动幅度减小，自主神经调节能力暂时下降（见图 4：RMSSD 全局比较）；
• 个体差异：不同时间点的 RMSSD 变化率差异显著：71.9 秒时下降 24.8%（刺激前 57.51 ms→刺激后 43.24 ms），73.8 秒时下降 14.6%（刺激前 57.64 ms→刺激后 49.22 ms），74.7 秒时下降 14.2%（刺激前 57.71 ms→刺激后 49.52 ms），而 60.3 秒时仅下降 2.5%（刺激前 55.13 ms→刺激后 53.75 ms）。该差异可能与刺激刚发生时（60 秒左右）自主神经尚未产生显著应答有关，也反映了个体对插管刺激的敏感性差异。

4.3 统计检验结果

（1）全样本 RMSSD 配对 t 检验

        配对 t 检验结果显示：t (15)=6.489，p=0.0000（p<0.05），证实刺激前后 RMSSD 指标的差异具有极强的统计学显著性。从群体水平验证了插管刺激对心率变异性的抑制效应，即刺激后副交感神经活性显著降低，与生理机制预期一致。

4.4 RMSSD 全局比较分析

图6：RMSSD全局比较结果

        RMSSD 全局比较图表由 “RMSSD 分布箱线图” 和 “个体变化趋势散点图” 组成，从群体分布和个体差异两个维度，量化插管刺激前后心率变异性的变化特征（见图：RMSSD 全局比较）。箱线图清晰呈现了刺激前后 RMSSD 指标的群体分布差异：

（1）RMSSD 分布箱线图分析

• 集中趋势：刺激前 RMSSD 分布的中位数约为 57.8 ms，与全样本均值（57.70±1.60 ms）高度一致，表明刺激前心率短期波动水平稳定；刺激后中位数降至 45.2 ms，较刺激前下降 21.8%，直接反映群体层面副交感神经活性的抑制效应。
• 离散程度：刺激前 RMSSD 的四分位距（IQR）仅为 2.3 ms（Q1=56.5 ms，Q3=58.8 ms），分布紧凑，提示实验对象在刺激前的自主神经调节状态一致性较高；刺激后 IQR 扩大至 9.6 ms（Q1=39.1 ms，Q3=48.7 ms），离散度显著增加，反映个体对插管刺激的应答差异 —— 部分个体 RMSSD 大幅下降（最低至 32.8 ms），部分个体下降幅度较小（最高达 53.7 ms），与前文提及的个体时效性差异一致。
• 异常值：刺激后箱线图未出现明显异常值，表明即使存在个体差异，所有样本的 RMSSD 变化仍在生理合理范围内，数据可靠性较高。

（2）个体变化趋势散点图分析

        散点图以 “刺激前 RMSSD” 为横轴、“刺激后 RMSSD” 为纵轴，通过对角线（y=x）划分变化方向：

• 整体趋势：16 个有效样本点中，15 个点位于对角线下方，占比 93.75%，表明绝大多数个体在刺激后 RMSSD 显著降低，验证了插管刺激对副交感神经活性的抑制作用具有普遍性。
• 个体差异：样本点与对角线的垂直距离反映 RMSSD 下降幅度 ——71.9 秒刺激点（57.51→43.24 ms）、73.8 秒刺激点（57.64→49.22 ms）等远离对角线，对应较大幅度下降；而 60.3 秒刺激点（55.13→53.75 ms）紧邻对角线，下降幅度仅 2.5%，进一步凸显刺激应答的个体时效性差异（刺激初期应答较弱，后续逐渐增强）。
• 数据一致性：刺激前 RMSSD 样本点集中分布在 55-59 ms 区间（横轴），与均值 ± 标准差（57.70±1.60 ms）的范围一致，表明刺激前基线数据稳定，为后续差异对比提供了可靠基础。

4.5 特定刺激点 ΔRR 分布分析

       基于 “特定刺激点 ΔRR 分布” 图表（含直方图与箱线图），从分布形态、集中趋势、离散程度三方面解析插管刺激对心率瞬时波动（ΔRR）的影响（见图：特定刺激点 ΔRR 分布）。

（1）ΔRR 分布直方图分析     

        直方图以 ΔRR（ms）为横轴、频数为纵轴，直观呈现刺激前后 ΔRR 序列的频率分布特征：

• 分布峰值：刺激前 ΔRR 在 0 ms 附近形成显著峰值（频数达 12 次），且在 - 50~50 ms 区间内频数占比超 80%，表明刺激前心率瞬时波动以小幅、平稳变化为主，自主神经调节状态稳定；刺激后 ΔRR 在 0 ms 附近虽也形成峰值，但峰值强度显著弱于刺激前，且在 - 50~50 ms 区间外的频数占比有所增加，提示刺激后心率瞬时波动的 “集中性” 下降。
• 分布范围：刺激前 ΔRR 取值范围为 - 150~150 ms，极端值（±100 ms 以上）频数占比仅 8%；刺激后取值范围未明显变化，但极端值频数占比上升至 15%，反映刺激后心率瞬时波动的 “极端变化” 概率增加，自主神经对心率的精细调控能力可能受损。
• 样本量差异：刺激前 ΔRR 样本量充足（蓝色柱形覆盖区间完整），统计代表性强；刺激后样本量相对较少（红色柱形在部分区间频数为 0），一定程度上影响分布特征的可靠性。

（2）ΔRR 箱线图分析

        箱线图通过中位数、四分位数和异常值，量化 ΔRR 分布的统计特征：

• 集中趋势：刺激前与刺激后 ΔRR 的中位数均接近 0 ms（箱体中线位置），两者差异极小，表明群体层面心率瞬时波动的中心位置未发生显著偏移。
• 离散程度：刺激前箱体（Q1~Q3）范围约为 - 50~50 ms，四分位距（IQR）较小，反映 ΔRR 离散程度低；刺激后箱体范围扩大至 - 80~50 ms，IQR 显著增加，说明刺激后 ΔRR 的离散程度上升，心率瞬时波动的一致性下降。
• 异常值：刺激前和刺激后均存在少量异常值（箱线图须外的点），但数量未超出生理合理范围（极端心动周期波动偶发），不影响整体分布特征的解读。

 

图7：特定刺激点ΔRR分布结果

• 窗口与样本量：刺激前窗口（0.0-60.0 秒）ΔRR 样本量为 65，刺激后窗口（60.0-80.0 秒）ΔRR 样本量为 21，样本量差异较大（刺激后窗口时长仅 20 秒，导致有效心动周期数量减少）；
• 独立样本 t 检验：t (34.71)=0.540，p=0.5929（p≥0.05），差异无统计学意义。

        该结果可能源于两方面原因：① 刺激后窗口时长不足（20 秒），样本量较少导致统计效能不足；② 60 秒时刺激刚发生，自主神经系统尚未产生显著的 ΔRR 序列变化（存在生理应答延迟）。提示单一时间点的专项分析需结合窗口时长、样本量及生理应答延迟特性综合判断，避免误判刺激效应。

五、实验结果分析

        本研究构建了一套基于脉搏波信号的 HRV 分析完整技术体系，通过 “多级滤波预处理 - 精准峰检测 - RMSSD 指标计算 - 统计验证” 的闭环流程，系统探究了插管刺激对自主神经功能的影响，核心结论如下：

1. 预处理技术有效性验证：构建的四级串联滤波系统（高通滤波去基线漂移、带通滤波提核心成分、陷波滤波抑工频干扰、移动平均平滑去残留噪声）实现了噪声抑制与生理特征保留的平衡，成功消除了脉搏波信号中的低频漂移、50Hz 工频干扰及高频肌电噪声，为后续峰检测和指标计算提供了高质量数据支撑。零相位滤波技术的应用确保了波峰时序信息的准确性，避免了相位畸变对 RR 间期提取的影响。

2. 峰检测算法精准性突出：融合 “动态统计阈值 + 生理约束 + 局部精修” 的波峰检测策略表现优异，通过 “均值 + 0.3× 标准差” 的自适应阈值与 0.15 秒最小峰间距约束，实现了 100% 的主波峰检测准确率，无重搏波峰误检；结合 0.05 秒局部窗口精修，进一步提升了峰值定位精度，确保了 RR 间期序列的可靠性，为 HRV 指标计算奠定了基础。

3. RMSSD 指标揭示刺激效应：插管刺激后，全样本 RMSSD 均值从 57.70±1.60 ms 降至 44.72±6.77 ms，平均下降 22.5%，且配对 t 检验结果显示 t (15)=6.489，p<0.001，证实刺激前后差异具有极强统计学显著性，明确了插管刺激对副交感神经活性的抑制作用。同时发现 RMSSD 变化存在显著个体时效性差异，刺激初期（60.3 秒）应答较弱（下降 2.5%），后续逐渐增强（71.9 秒下降 24.8%），反映了自主神经对刺激应答的时间依赖性及个体敏感性差异。

4. 分布特征深化刺激影响认知：RMSSD 全局比较显示，刺激后群体分布中位数下降 21.8%，离散度显著增加（IQR 从 2.3 ms 扩大至 9.6 ms），93.75% 的个体 RMSSD 降低，验证了刺激效应的普遍性与个体异质性。特定刺激点 ΔRR 分布分析表明，刺激后心率瞬时波动的集中性下降、离散度上升，但因刺激后窗口时长不足（20 秒）导致样本量偏少，独立样本 t 检验未显示显著差异，提示单一时间点分析需兼顾窗口设计与生理应答延迟特性。

六、参考文献

[1] Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology. Heart rate variability: standards of measurement, physiological interpretation and clinical use. Circulation. 1996;93(5):1043-1065.

摘要关联：该文献建立了HRV分析的国际标准，明确了RMSSD等时域指标的计算方法和生理意义，为本文的HRV分析框架提供了理论基础和标准化依据。

[2] Elgendi M. On the analysis of fingertip photoplethysmogram signals. Curr Cardiol Rev. 2012;8(1):14-25.

摘要关联：文章系统综述了PPG信号的特征分析和处理方法，详细讨论了波峰检测算法和信号预处理技术，为本文的PPG特征点识别和信号预处理流程提供了方法学参考。

[3] Lu G, Yang F, Taylor JA, Stein JF. A comparison of photoplethysmography and ECG recording to analyse heart rate variability in healthy subjects. J Med Eng Technol. 2009;33(8):634-641.

摘要关联：该研究比较了基于PPG和ECG的HRV分析结果，验证了PPG信号在心率变异性分析中的可靠性，为本文采用PPG信号进行自主神经功能评估提供了实验证据支持。

[4] Sassi R, Cerutti S, Lombardi F, et al. Advances in heart rate variability signal analysis: joint position statement by the e-Cardiology ESC Working Group and the European Heart Rhythm Association co-endorsed by the Asia Pacific Heart Rhythm Society. Europace. 2015;17(9):1341-1353.

摘要关联：文献总结了HRV信号分析的最新进展和技术标准，强调了多尺度分析和非线性方法的应用，为本文的RMSSD计算和统计分析方法提供了最新的技术指导。

[5] Schäfer A, Vagedes J. How accurate is pulse rate variability as an estimate of heart rate variability? A review on studies comparing photoplethysmographic technology with an electrocardiogram. Int J Cardiol. 2013;166(1):15-29.

摘要关联：该综述系统评估了脉搏率变异性(PRV)作为心率变异性(HRV)替代指标的准确性，分析了PPG信号在自主神经功能监测中的临床应用价值，为本文的研究设计和结果解释提供了重要的meta分析依据。

Tips：下一讲，我们将进一步探讨，脉搏波信号处理与应用的其他部分。

以上就是脉搏波信号刺激前后RMSSD心率变异性研究的全部内容啦~

我们下期再见，拜拜(⭐v⭐) ~

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