心脏和循环系统疾病是最常见的死亡原因——甚至比癌症还要高！因此，我们应该非常重视心脏健康。但该怎么做呢？大家都知道，当医生通过心电图（ECG）等方法检测心脏功能时，心率会升高。如果能在不引人注意的情况下检查心脏功能，比如早上刷牙时，那就更好了。 如果一切正常，则不会有任何反应。但如果出现异常，心脏门诊会根据检测到的异常情况收到通知。
例如，对于胸部有烧伤的患者、皮肤极其敏感的早产儿，或是被困在车内的事故受害者，像心电图（ECG）测量那样贴上电极的方法是不现实的。因此，需要另一种——非接触式——的心脏功能测量方法。
但如何实现非接触式的远程心功能测量呢？答案是激光多普勒振动计（LDV），例如Polytec 单点振动计，它采用波长λ = 1550 nm，既能实现非接触测量，又对眼睛安全。 LDV并非直接测量心脏本身的电活动，而是测量心脏在体表引起的机械运动。虽然穿着衣物时测量会比较困难，但即使穿过睡衣等薄质织物，在胸部区域甚至通常不被遮盖的颈部区域，该设备仍能正常工作。
若有人期望心电图（ECG）测量曲线与振动计获得的曲线（此处称为振动心电图，VCG）完全一致，恐怕会感到失望。图1中的两组测量结果便说明了这一点。心电图显示了通常的波形。 心电图中清晰可见的P、Q、R、S和T波峰，在振动心电图中却无从寻觅。但两种测量方法中极端波峰之间的间距完全一致。这意味着，两组测量数据中的瞬时心率——此处约为1.2 Hz或每分钟72次（bpm）——确实相符，因此确实能够检测到异常情况。
振动计信号的幕后揭秘
心电图（ECG）是一种电信号，因此它仅记录心脏的活动。相比之下，心肌电图（VCG）则显示了心肌的机械运动。这可从图2中的VCG频谱中看出，该频谱显示了三个谱线簇点：分别位于f = 0.25 Hz、f = 1.2 Hz和f = 2.4 Hz处。中间的频谱簇点对应于心率。 由于心跳随时间略有变化，且测量过程持续约2分钟，因此形成了所示的谱簇。在两倍频率处存在第二个谱簇，这是由于心跳并非纯正弦波，从而产生了谐波。 最后，f = 0.25 Hz处的聚类源于呼吸，作为机械信号，呼吸同样会被振动计检测到。因此，除了心率活动外，振动计还可以用于检测呼吸！通过采用截止频率fg= 0.58 Hz的高通滤波，可从振动计信号中提取心率活动。
测量位置离心脏越近，振动计信号就越适合用于测定心率。如果胸部表面被衣物覆盖得过厚，以致振动计信号无法穿透，则需要选择其他测量位置。由于颈部通常裸露在外，颈动脉便成为一种替代的测量位置。图3显示了九个可能的测量位置。 如图4所示，测量信号的质量取决于测量位置以及与颈动脉的距离。在中部和右侧测量点可获得最佳的测量信号。必须根据测量信号的采样值 x[k] 来计算心率。为此有两种方法可用：评估幅度谱 |[X[n]| 或自相关函数rXX[κ]。
目标心率既可在频谱中找到——在那里它由最大峰值表示，也可在相关函数中找到——在那里它表示为各极值之间距离的倒数。对于图1中的两个测量信号x[k]，图5给出了相应的相关函数。 测量信号 x[k] 的周期性也可从其相关函数 rXX[κ] 中看出。对于频谱法，频谱分辨率（以及由此确定的心率精度）受采样频率（此处 fs = 120 Hz）和采样点数（此处 N = 600）的限制，其极限值为 Δf = 0.2 Hz。
通过零填充可以提高分辨率，但会以牺牲精度为代价。对于相关法，在心率 f = 1 Hz 或 60 bpm 时，其频率依赖的频谱分辨率为 Δf = 8.23 mHz 或 0.49 bpm。 因此，相关法是更优选的方法，尤其是因为可以基于从相关函数推导出的准则来确定最佳测量点。图 4 中测量信号所确定的心率如图 6 所示，其中绿色曲线对应上侧测量点，红色曲线对应中间测量点，蓝色曲线对应下侧测量点。
测得的心率约为 f = 1 Hz，在中部和右侧测量点最为稳定，这与观察图 4 时所预料的一致。特别是右侧测量点显示的离群值最少，这些离群值可能是由患者的动作或咳嗽等因素引起的。
心房颤动的检测
在心律失常（更准确地说，是室性心动过速）中，心率会偏离正常值，最高可达 f = 5 Hz 或 300 次/分钟。这会对心脏造成长期损害，因此及时发现至关重要。患者通常在心脏已经受到损害后才会有自觉症状。图 7 展示了心律失常状态下的心电图（ECG）和静脉心电图（VCG）片段。
在心电图（ECG）上，心律不齐的表现为峰值间隔的变化。而在VCG中，完全不存在明显的峰值。这导致在相关函数中无法识别出明显的次级峰值。由此可以推导出一种自动检测心房颤动的标准。 如图8所示，通过相关函数计算得出的心率也反映了心脏活动的异常性。
心率的波动是心房颤动的典型特征，在心电图（ECG）和心率曲线（VCG）中均可观察到，其范围在45次/分钟至120次/分钟之间。
展望
在本研究中，我们通过医院环境下的实验证明，可以以规定的精度对心脏参数（本研究中为心率和室性心律失常）进行非接触式测量。此外，通过适当的信号处理，还可以非接触式地测量心音和呼吸。至此，当前的研究任务已告完成。
现在，需要合适的医疗技术公司基于这些研究成果，开发出易于操作且价格合理的设备，这无疑是一项艰巨的任务。但这将能避免许多人因心脏病而过早死亡。
致谢
参与本项目的研究人员包括卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的劳拉·米尼亚内利（Laura Mignanelli）博士、卡尔斯鲁厄市立医院的阿明·卢伊克（Armin Luik）博士、Polytec 的马尔科·沃尔费尔（Marko Wolfer）博士以及弗劳恩霍夫IOSB研究所的于尔根·梅茨勒（Jürgen Metzler）博士，特此向他们表示感谢。 同时感谢施普林格出版社出版了克里斯蒂安·克罗舍尔（Kristian Kroschel）主编的《激光多普勒振动测量在非接触式诊断中的应用》（ISBN 978-3-030-46691-6，施普林格自然瑞士股份有限公司，2020年）。
