Muse 2 forehead photoplethysmography agrees with Polar H10 for heart rate but overestimates ultra-short RMSSD

人类的心脏跳动并不像节拍器那样规整。在两次心跳之间，存在着微小的、自然的间隔变化。这种波动被称为心率变异性（heart-rate variability），是神经系统健康且具有反应能力的标志。当身体放松时，心脏会随着呼吸的节奏减慢或加快，从而形成一种复杂且不断变化的模式。科学家长期以来一直利用这种模式来理解人体如何应对压力与休息。传统上，测量这种指标需要一台医用级心电图机，这种机器直接从胸部读取心脏的电信号。然而，随着穿戴式技术的爆发式普及，人们现在希望使用佩戴在手腕或额头上的简单设备来追踪同样的数据。这些设备并不读取电信号；相反，它们利用光线来观察血液流经皮肤时的脉搏。研究人员面临的问题是，这种光学方法（测量的是脉搏波的到达而非引发脉搏的电火花）是否能讲述与医学标准相同的故事。

在最近发表于《生理学报告》（Physiological Reports）的一项研究中，一支位于印度尼西亚巴厘岛的研究团队利用两种流行的设备对这一问题进行了测试：一个是能够高精度记录心跳的 Polar H10 胸带，另一个是旨在辅助冥想且同样测量额头脉搏的 Muse 2 头带。研究人员提出了一个简单但关键的问题：如果你同时佩戴这两个设备并静坐时，它们对于你心脏节奏的细节描述是否一致？他们专注于两个具体的测量指标。第一个是平均心率，即每分钟心脏跳动的次数。第二个是更为微妙的测量指标——变异性，它观察的是相邻两次心跳之间的时间变化程度。这个第二指标常被用来衡量一个人的放松程度，但它对计时误差也更为敏感。

该研究涉及 28 名成年人，他们在佩戴两个设备的同时静坐了两分钟。在第一分钟里，他们睁着眼睛；在第二分钟里，他们闭上了眼睛。随后，研究人员将头带的数据流与胸带进行了对比。结果非常明确，并呈现出两个截然不同的结论。在平均心率方面，两台设备几乎完全一致。头带计算每分钟跳动次数的准确度极高，其误差小于一跳/分钟。在这方面，额头传感器表现完美，证实了它能够可靠地告诉你心脏跳动的快慢。

然而，当研究人员观察节奏中细微的变化时，情况发生了彻底的变化。头带始终报告心脏的节奏比胸带显示的更具变异性。在几乎每一次实验环节中，头带显示的两次心跳之间的差异都比胸带记录的要大。平均而言，头带高估了这种变异性约 19 毫秒，这在心脏节奏领域是一个显著的差异。为了直观理解，如果胸带测量出了一定的放松水平，头带则暗示该 person 比实际情况更加放松。这种高估是如此一致，以至于研究人员发现，在某些情况下，头带的读数几乎是胸带数值的两倍。数据表明，头带在每一次跳动中都捕捉到了一小部分计时噪声，由于变异性的计算方法是观察前后两次跳动之间的差异，这些微小的误差累积起来，使得心脏看起来比实际情况要紊乱得多。

研究人员还调查了发生这种情况的原因。他们考虑是否是因为设备在额头运动或光线穿透皮肤的方式上难以精准定位脉搏的确切时刻。他们发现，这种误差与约 16 毫秒/跳的计时不确定性是一致的。这可能是设备自身局限性与血液从心脏传输到额头所需的一段微小时间（这一时间随每次心跳而略有变化）共同作用的结果。由于该研究并未记录实际的心脏电信号，因此他们无法将设备的误差与这种自然的生物延迟区分开来。他们唯一可以肯定的是，这两台设备在进行这项特定测量时并不具备互换性。在试图测量心率变异性的精细细节时，头带无法简单替代胸带。

研究还观察了这些设备是否能追踪身体的变化。当参与者闭上眼睛（一种常见的放松技巧）时，胸带显示出心率变异性的明显增加，表明身体正在趋于平静。然而，头带并未提供足够的证据来证明它能可靠地追踪这种变化。数据呈现出的情况可能介于“完全无法追踪”到“追踪效果尚可”之间，这意味着目前还没有足够的证据确认头带能否检测到这种转变，但也同样没有足够的证据证明它不可能做到。这意味着，虽然头带在测量心率方面表现出色，但它无法像胸带那样，通过脉搏的变异性来可靠地监测放松程度的变化。

研究人员得出结论：Muse 2 头带是测量平均心率的可靠工具，但其心率变异性的测量结果应谨慎对待。该设备测量的并非与胸带完全相同的东西；它测量的是脉搏变异性（pulse-rate variability），其中包含了胸带所无法察觉的额外噪声和生物延迟。对于需要精确数据来了解神经系统功能的科学家和临床医生来说，头带的数据不能直接替代胸带。研究表明，如果使用这些设备来测量变异性，报告结果时应将其称为“脉搏节奏”而非“心律”，并且使用者应当理解，其数值可能会高于医用级设备所显示的数值。这项技术是有用的，但它有一个特定的极限：它可以计数跳动，但尚未能完美捕捉心脏节奏中那细微且不断变化的舞步。