李安安，石萍，吳亮，喻洪流

(上海理工大學(xué)康復(fù)工程與技術(shù)研究所，上海 200000)

1 引 言

心率不對(duì)稱性(heart rate asymmetry, HRA)是一種反映心率波動(dòng)中加速和減速模式不對(duì)稱的現(xiàn)象，是交感神經(jīng)系統(tǒng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)平衡作用的結(jié)果。HRA在正常心跳搏動(dòng)過程中是一個(gè)很明顯的現(xiàn)象，表現(xiàn)在Poincaré圖標(biāo)識(shí)線上下方點(diǎn)的不均勻分布，能較為直觀地體現(xiàn)出短期內(nèi)逐次心跳的加速和減速模式的不平衡性，評(píng)價(jià)心率或RR間期時(shí)間序列信號(hào)的時(shí)間不可逆性。HRA是心率變異性(heart rate variability，HRV)的一部分，更具體地描述了HRV的非線性性質(zhì)，通過圖像可以直觀地觀察到。

頻率譜的研究方法被廣泛應(yīng)用于HRV研究中，但實(shí)驗(yàn)條件較高，外界因素(噪音、光線等)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大。還有一些研究引入動(dòng)態(tài)和混沌信號(hào)如Lyapunov指數(shù)[1]、復(fù)雜度[2]以及一些熵指標(biāo)等。Yan等[3]提出了面積指數(shù)AI，結(jié)合相位角和距離特征來評(píng)估HRA，并通過實(shí)驗(yàn)證明該方法比以前傳統(tǒng)的Porta指數(shù)(PI)和Guzik指數(shù)(GI)在評(píng)估短期HRV序列的HRA現(xiàn)象上有更好的效果。Wang等[4]利用Poincaré圖解法對(duì)二維平面RR間期時(shí)間序列與初始值進(jìn)行對(duì)比，探討了呼吸對(duì)于心率與血壓不對(duì)稱性的影響。近年來，非線性分析方法在HRV相關(guān)研究中表現(xiàn)出更好的準(zhǔn)確性，在臨床疾病以及健康監(jiān)測(cè)評(píng)估方面有著廣泛的應(yīng)用。有研究使用復(fù)相關(guān)度量(CCM)的方法結(jié)合Poincaré圖的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)SD1和SD2分析胎兒心率變異性(fHRV)時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)可變性，得出胎兒心率也普遍存在HRA現(xiàn)象，且在妊娠過程中持續(xù)升高[5]?；谙惹暗难芯?，Kaczmarek等[6]利用經(jīng)典的頻域指標(biāo)(LF、HF、LF/HF)及HRA指標(biāo)(C1d、C2d)結(jié)合Poincaré圖分析了情緒對(duì)于心率不對(duì)稱性的影響，表明HRA對(duì)于心理因素較為敏感，是區(qū)分情感之間細(xì)微差別的良好指標(biāo)。

目前，基于HRA的人體監(jiān)測(cè)評(píng)估研究中，受試者多處于靜態(tài)或特定姿勢(shì)。實(shí)際上，日?；顒?dòng)或運(yùn)動(dòng)對(duì)于個(gè)體的心血管系統(tǒng)造成的影響不可忽視。Weippert等[7]的研究表明，在相同的心率水平下，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)活動(dòng)期間自主神經(jīng)的控制作用在本質(zhì)上是不同的，且可以通過血壓(BP)和HRV等指標(biāo)表現(xiàn)出來。運(yùn)動(dòng)必然導(dǎo)致心率的變化，運(yùn)動(dòng)后心率恢復(fù)是評(píng)價(jià)自主神經(jīng)系統(tǒng)的常見指標(biāo)，HRV結(jié)合HRA指標(biāo)的分析能夠明顯的體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)后心率恢復(fù)情況，具有預(yù)后意義，并被認(rèn)為與副交感神經(jīng)張力的異?；謴?fù)有關(guān)，是評(píng)估自主神經(jīng)系統(tǒng)功能的優(yōu)異指標(biāo)[8]。

運(yùn)動(dòng)恢復(fù)期，即停止運(yùn)動(dòng)后心率血壓逐漸恢復(fù)平穩(wěn)的過程。本研究通過實(shí)驗(yàn)，采用非線性參數(shù)結(jié)合已有的頻域指標(biāo)分析運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期自主神經(jīng)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)功能的復(fù)雜調(diào)控過程，利用VLF、LF、HF等頻域指標(biāo)評(píng)估交感副交感神經(jīng)在運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期的功能。特別考察了HRA在運(yùn)動(dòng)后身體各項(xiàng)機(jī)能恢復(fù)過程中的評(píng)估作用，證明HRA相關(guān)非線性參數(shù)(SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd)對(duì)運(yùn)動(dòng)敏感，與HRV參數(shù)結(jié)合能夠更全面地評(píng)估運(yùn)動(dòng)相關(guān)的自主神經(jīng)調(diào)控過程。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)對(duì)象

選取16名年輕健康受試者，年齡(22.3±1.2)歲，身高(174.0±8.4)cm，體重(68.4±9.5)kg，BMI (22.5±1.5)kg/m2。所有受試者均無相關(guān)心血管疾病，無心率異常。告知受試者實(shí)驗(yàn)前一周不要吸煙或進(jìn)行任何劇烈運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)前三天內(nèi)不攝入酒精、咖啡因或其他可能影響心血管活動(dòng)的藥物。受試者均自愿參加，并簽署了知情同意書。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)在安靜，溫度溫和的室內(nèi)進(jìn)行[9]。實(shí)驗(yàn)前，受試者被要求靜坐放松，采集5 min靜息狀態(tài)下的心電信息(ECG)，同時(shí)采集肱動(dòng)脈血壓(BP)并記錄數(shù)據(jù)。之后，受試者在跑步機(jī)上以6 km/h的速度進(jìn)行3 min的跑步，結(jié)束后，立即采集5 min恢復(fù)期的ECG信號(hào)，并同步記錄血壓。

本研究使用Power-LAB/16SP系統(tǒng)(Castle Hill AD Instrument)采集ECG信號(hào)，采樣頻率1 kHz，經(jīng)0.13 Hz高通濾波器和100 Hz低通濾波器濾波。肱動(dòng)脈血壓使用OMEON HEM-7211型血壓測(cè)量?jī)x測(cè)量。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 HRV參數(shù)

本研究考察了HRV的頻域指標(biāo)，包括：反映交感神經(jīng)功能的0.003～0.04 Hz的極低頻段(VLF)；反映交感神經(jīng)功能的0.04～0.15 Hz的低頻段(LF)；評(píng)估副交感神經(jīng)功能的0.15～0.4 Hz的高頻段(HF)，該頻段還受呼吸的影響。實(shí)驗(yàn)選取每段ECG信號(hào)的后5 min，提取RR間期序列，計(jì)算HRV頻域參數(shù)VLF(ms2)、標(biāo)準(zhǔn)化后的HF(n.u.)和LF(n.u.)。通過以上常規(guī)HRV參數(shù)來評(píng)估主動(dòng)運(yùn)動(dòng)后，短時(shí)恢復(fù)期的自主神經(jīng)功能的變化。

3.2 HRA指標(biāo)

HRA是基于Poincaré圖描述的一種RR間期標(biāo)志點(diǎn)關(guān)于標(biāo)識(shí)線上下不均勻分布的現(xiàn)象。Poincaré圖中的標(biāo)識(shí)線指的是與X軸成45°角且通過原點(diǎn)的線(y=x)，也被稱為等值線。其中，SD1是垂直于標(biāo)識(shí)線的標(biāo)準(zhǔn)偏差，而SD2是沿標(biāo)識(shí)線繪制的點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差[10]。

基于Poincaré圖引入短期HRA非線性指標(biāo)SD1a、SD1d，長(zhǎng)期HRA非線性指標(biāo)SD2a、SD2d以及總HRA非線性指標(biāo)SDNNa、SDNNd來評(píng)估心率加速和減速模式對(duì)心血管自主神經(jīng)調(diào)節(jié)功能的影響，這些指標(biāo)可分別通過以下公式計(jì)算[11]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

3.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

配對(duì)樣本t檢驗(yàn)用于檢驗(yàn)HRV參數(shù)在運(yùn)動(dòng)前后之間的差異，對(duì)于HRA指標(biāo)(SD1a和SD1d，SD2a和SD2d，SDNNa和SDNNd)之間的差異，采用Wilcoxon檢驗(yàn)進(jìn)行配對(duì)比較。本研究還通過Spearman相關(guān)分析，研究頻域指標(biāo)與非線性指標(biāo)之間的關(guān)系，驗(yàn)證研究方法的可行性。使用SPSS軟件(版本24，IBM，New York，USA)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，P<0.05表示兩組之間具有顯著性差異。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

運(yùn)動(dòng)后5 min內(nèi)收縮壓(SBP)、舒張壓(DBP)以及心率(HR)的恢復(fù)情況，見圖1。由圖可見，運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期，收縮壓下降明顯，在4.5 min左右達(dá)到最低值，后小幅度上升，舒張壓持續(xù)下降至2.5 min，小幅度上升后，繼續(xù)下降，在4 min左右逐漸進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)，心率在前2 min下降明顯，后小幅下降并在4 min左右趨于平穩(wěn)。

圖1 運(yùn)動(dòng)后5 min心率血壓恢復(fù)情況

圖2為受試者運(yùn)動(dòng)前靜息狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期的頻域指標(biāo)對(duì)比，VLF和HF在運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期下降，其中HF顯著下降(P<0.001)，說明運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期副交感神經(jīng)活動(dòng)被抑制。LF在運(yùn)動(dòng)后顯著升高(P<0.001)，表明運(yùn)動(dòng)后交感和副交感神經(jīng)的復(fù)雜非線性調(diào)節(jié)作用加劇。

圖2 運(yùn)動(dòng)前后頻域指標(biāo)對(duì)比

由圖3可知，無論是加速模式還是減速模式，在運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd都較靜息狀態(tài)有明顯的減弱現(xiàn)象。正態(tài)檢驗(yàn)表明每組數(shù)據(jù)無異常值，且服從正態(tài)分布。圖3(a)中，靜息狀態(tài)下的HRA加速指標(biāo)SD1a，SD2a和SDNNa分別為(19.77±14.67)ms，(53.34±22.61)ms和(40.43±18.57)ms。運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期的三個(gè)加速指標(biāo)顯著下降(P<0.01)。三個(gè)減速指標(biāo)SD1d、SD2d和SDNNd和加速指標(biāo)一樣，運(yùn)動(dòng)前后具有顯著的下降趨勢(shì)(P<0.01)，見圖3(b)。

圖3 運(yùn)動(dòng)前后SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa、SDNNd對(duì)比

表1分析了運(yùn)動(dòng)前靜息狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期的HRA非線性指標(biāo)與部分頻域指標(biāo)的相關(guān)性，以了解自主神經(jīng)系統(tǒng)的恢復(fù)情況。由表1可知，靜息狀態(tài)下LF只與短期HRA(SD1a、SD1d)呈明顯的負(fù)相關(guān)，HF與短期HRA(SD1a、SD1d)呈正相關(guān)，VLF與短期HRA(SD1a、SD1d)無明顯相關(guān)性，而與長(zhǎng)期HRA(SD2a、SD2d)和總HRA(SDNNa、SDNNd)呈正相關(guān)。運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期頻域指標(biāo)與非線性指標(biāo)均有明顯的相關(guān)性，其中LF與短期HRA中的加速模式(SD1a)及總HRA的減速模式(SDNNd)有顯著的負(fù)相關(guān)性，相反，HF與SD1a及SDNNd呈顯著正相關(guān)，VLF與選取的非線性指標(biāo)都有明顯的正相關(guān)特性。

表1 運(yùn)動(dòng)前后頻域指標(biāo)與非線性指標(biāo)的相關(guān)性

5 討論

本研究利用HRA非線性指標(biāo)結(jié)合HRV頻域指標(biāo)評(píng)估運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期的自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程。目前HRA的起源機(jī)制尚不清楚，它的發(fā)生可能與多種機(jī)制相關(guān)，其中壓力感受器反射和化學(xué)感受器反射對(duì)其影響相對(duì)較大，如血壓的升高降低，呼氣吸氣等都會(huì)使壓力感受器表現(xiàn)出一定的不對(duì)稱性，這種不對(duì)稱性可以通過評(píng)估HRA的非線性指標(biāo)直觀地表現(xiàn)出來，并且進(jìn)而反映一些身體機(jī)能。一般來說，病理狀態(tài)下，HRA現(xiàn)象有一定程度減弱。因此，保持適當(dāng)?shù)腍RA水平是評(píng)價(jià)機(jī)體生理健康的標(biāo)志。通過參數(shù)的分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定疾病的預(yù)判以及對(duì)健康人群不同狀態(tài)下的生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

HRV能反映逐次竇性心律周期的變化程度，是表現(xiàn)自主神經(jīng)系統(tǒng)功能的常見指標(biāo)，多種疾病如心律失常[12]、心肌梗死[13]、阻塞性睡眠呼吸暫停[14]、術(shù)后心肌缺血[15]以及1型糖尿病[16]等都有可能導(dǎo)致HRV的異常。傳統(tǒng)的HRV研究始于時(shí)域頻域分析，通過簡(jiǎn)單的指標(biāo)如SDNN、pNN50、LF、HF以及LF/HF等直觀地進(jìn)行分析，但是能夠解釋的現(xiàn)象較為局限且反映結(jié)果較為粗略。而HRA現(xiàn)象的出現(xiàn)，表明生理信號(hào)中存在著復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)問題，基于Poincaré圖的多個(gè)HRA非線性指標(biāo)(SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd)可以更加準(zhǔn)確地描述心率周期中加速、減速模式的分布狀態(tài)，對(duì)自主神經(jīng)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的復(fù)雜調(diào)控過程進(jìn)行更加精準(zhǔn)地評(píng)估。

本研究結(jié)果顯示，運(yùn)動(dòng)恢復(fù)期，LF顯著上升(P<0.05)，HF、VLF、SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd顯著減小(P<0.01)；運(yùn)動(dòng)恢復(fù)期HRV頻域指標(biāo)與HRA非線性指標(biāo)之間的相關(guān)性顯著增大(P<0.05)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，運(yùn)動(dòng)后心動(dòng)周期中加速、減速模式均減弱，且運(yùn)動(dòng)后變率從加速模式轉(zhuǎn)移到減速模式，減速模式作用一定程度上高于加速模式，這是由于運(yùn)動(dòng)恢復(fù)期迷走神經(jīng)重新激活，減速模式發(fā)揮主要作用，促使心率下降，與交感神經(jīng)交互作用，調(diào)節(jié)心血管系統(tǒng)的功能。一般減速模式在長(zhǎng)期HRV中占主導(dǎo)作用，加速模式在短期HRV中貢獻(xiàn)更多。因此，對(duì)HRA的有效分析能夠補(bǔ)充HRV對(duì)自主神經(jīng)系統(tǒng)的評(píng)估，且特定狀態(tài)下，HRA參數(shù)的改變可以反映自主神經(jīng)的特殊調(diào)控反應(yīng)，這些現(xiàn)象說明HRA非線性參數(shù)在評(píng)估運(yùn)動(dòng)后的自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控機(jī)制上有很好的作用。

本研究中，我們還考察了心率和血壓等指標(biāo)。運(yùn)動(dòng)使交感神經(jīng)活動(dòng)加強(qiáng)，會(huì)激活加速模式，使得心跳加快，血壓增高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，運(yùn)動(dòng)后HRV頻域指標(biāo)VLF顯著減小和LF顯著增大，這主要是運(yùn)動(dòng)引起交感神經(jīng)興奮。副交感神經(jīng)節(jié)前纖維又稱為迷走神經(jīng)，在運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期興奮，減速模式發(fā)揮主導(dǎo)作用，引起心輸出量減少，心率下降，其興奮性反彈甚至?xí)霈F(xiàn)超過運(yùn)動(dòng)前水平的現(xiàn)象，被稱為迷走神經(jīng)重激活，可能與運(yùn)動(dòng)引起的人體能量代謝、內(nèi)分泌系統(tǒng)變化以及血液動(dòng)力學(xué)變化機(jī)制有關(guān)[17-19]。這種加速模式和減速模式的交替作用，保證心率血壓在運(yùn)動(dòng)后較為平穩(wěn)地恢復(fù)至基線水平的現(xiàn)象說明，可能存在某種代償機(jī)制使得心血管系統(tǒng)在自主神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，能夠維持正常運(yùn)作功能。研究表明HRV保持較高的水平是心率保持平穩(wěn)的重要表現(xiàn)，通常，疾病會(huì)導(dǎo)致HRV水平下降，意味著自主恢復(fù)心率至正常水平的能力減弱。運(yùn)動(dòng)后心率慢慢恢復(fù)至基線水平被認(rèn)為是副交感神經(jīng)重新激活以及交感神經(jīng)作用逐漸減弱的復(fù)合過程[20]。研究表明，運(yùn)動(dòng)后迷走神經(jīng)機(jī)能改變能直接反映運(yùn)動(dòng)員身體機(jī)能恢復(fù)情況和訓(xùn)練積極性[21]。雖然實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)后心率、血壓基本逐漸恢復(fù)至基線水平，但這并不能直接說明自主神經(jīng)系統(tǒng)也已經(jīng)同步恢復(fù)為靜息狀態(tài)時(shí)的正常水平，具體恢復(fù)時(shí)間需要采集更長(zhǎng)地時(shí)間序列進(jìn)行分析。

HRA的非線性指標(biāo)是基于Poincaré圖來計(jì)算的。Poincaré圖是一種提供長(zhǎng)期或短期HRV信息的定量可視化工具，常規(guī)指標(biāo)SD1和SD2分別是橫跨和沿龐加萊圖的標(biāo)識(shí)線所有散布點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，本質(zhì)上和時(shí)域指標(biāo)沒有區(qū)別。目前使用的HRV分析方法只考慮了心率周期變化的大小，沒有考慮變化的方向[22]。實(shí)際上自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控過程復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單的看作是線性平穩(wěn)過程，而HRA現(xiàn)象表明生理信號(hào)中存在著具有反映方向變化的非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制。本研究引入適當(dāng)?shù)姆蔷€性參數(shù)(SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd)用于對(duì)自主神經(jīng)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的復(fù)雜調(diào)控過程進(jìn)行解釋。結(jié)果顯示，SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd在運(yùn)動(dòng)后都顯著降低，且與傳統(tǒng)的時(shí)域指標(biāo)具有顯著的相關(guān)性，因此，頻域分析的生理學(xué)解釋可以應(yīng)用于非線性參數(shù)生理學(xué)解釋上，利用HRA非線性指標(biāo)能夠更為精準(zhǔn)地分析非線性非平穩(wěn)的自主神經(jīng)系統(tǒng)與心血管系統(tǒng)之間的調(diào)節(jié)機(jī)制。

后續(xù)將進(jìn)一步研究不同性別、年齡及身體素質(zhì)人群的運(yùn)動(dòng)恢復(fù)期的自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控機(jī)制，探索HRA相關(guān)非線性參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的有效性。

6 結(jié)論

本研究對(duì)運(yùn)動(dòng)前后心率、血壓、頻域指標(biāo)(VLF、LF及HF)及非線性參數(shù)(SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd)進(jìn)行了測(cè)量，計(jì)算了HRA非線性指標(biāo)與傳統(tǒng)的HRV頻域指標(biāo)之間的相關(guān)性。研究表明僅用簡(jiǎn)單的HRV頻域、時(shí)域分析方法還不能全面細(xì)致地評(píng)價(jià)非平穩(wěn)、非線性的自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控過程，HRA非線性參數(shù)對(duì)心動(dòng)周期中加速、減速模式進(jìn)行了具體的描述，通過這些參數(shù)可以直觀地看到自主神經(jīng)在運(yùn)動(dòng)調(diào)控過程中加速、減速兩種模式的轉(zhuǎn)變，能夠結(jié)合HRV指標(biāo)進(jìn)一步對(duì)自主神經(jīng)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)交互作用進(jìn)行解釋。