「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](#1.1 心率变异性的生理意义)

[1.2 脉搏波信号的生理特征](#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 多级滤波体系设计)

[2.1.1 基线漂移去除](#2.1.1 基线漂移去除)

[2.1.2 带通滤波处理](#2.1.2 带通滤波处理)

[2.1.3 工频干扰抑制](#2.1.3 工频干扰抑制)

[2.2 零相位滤波技术](#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](#3.1 RR间期序列构建)

[3.2 RMSSD 指标计算](#3.2 RMSSD 指标计算)

[3.3 统计检验模型](#3.3 统计检验模型)

[3.4 波峰检测优化策略](#3.4 波峰检测优化策略)

[3.4.1 初始峰值检测（统计阈值法）](#3.4.1 初始峰值检测（统计阈值法）)

[3.4.2 峰值位置精修：](#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](#4.1. 信号预处理效果)

[4.2 波峰波谷检测与 RMSSD 变化](#4.2 波峰波谷检测与 RMSSD 变化)

[4.3 统计检验结果](#4.3 统计检验结果)

[4.4 RMSSD 全局比较分析](#4.4 RMSSD 全局比较分析)

[4.5 特定刺激点 ΔRR 分布分析](#4.5 特定刺激点 ΔRR 分布分析)

五、实验结果分析

六、参考文献

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：

通过多维度滤波技术去除脉搏波信号中的噪声成分；
精准检测脉搏波峰以提取 RR 间期；
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。

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。
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。
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：

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。
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。
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。
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⭐) \~ **（Ps：有代码实现需求，请见主页信息，谢谢支持！\~）**