王寧馨，張緒柘，雷皓,3，龍克鴻*

1武漢磁共振中心(中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院)波譜與原子分子物理國家重點(diǎn)實驗室，武漢 430071；2華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心，武漢 430074；3中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

心率變異性(heart rate variability，HRV)是指連續(xù)心動周期之間在時間上的微小差異，是自主神經(jīng)系統(tǒng)活動的一個非侵入性指標(biāo)，可反映交感與副交感神經(jīng)系統(tǒng)之間的平衡[1-2]，在生理和臨床研究中均具有重要作用[3]，因此，方便且準(zhǔn)確地測量HRV具有重要意義。目前，HRV的測量主要基于以心電圖(electrocardiography，ECG)為代表的電生理信號和以光容積描記儀(photoplethysmography，PPG)為代表的光學(xué)信號。由ECG得到的RR間期(RR intervals，RRI)分析是HRV測量的金標(biāo)準(zhǔn)。功能近紅外光譜(functional near-infrared spectroscopy，fNIRS)是一種基于修正的朗伯比爾(Beer-Lambert)定律來測量血流動力學(xué)響應(yīng)的光學(xué)監(jiān)測方法，在監(jiān)測大腦活動時具有無創(chuàng)、安全、便攜的特點(diǎn)，已廣泛用于疾病的預(yù)測及認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，如檢測工作負(fù)荷、情緒壓力或反應(yīng)抑制等[4]。fNIRS技術(shù)在心率測量方面準(zhǔn)確性較高，且有研究證實其相較于PPG測量的HRV能更好地描述自主神經(jīng)系統(tǒng)的短時變化[5]。因此，本研究以ECG測量的HRV為參照，利用fNIRS技術(shù)對16名在校學(xué)生靜息狀態(tài)下的大腦和手指血氧信號進(jìn)行監(jiān)測，估算HRV，并評估fNIRS測量HRV的可行性及準(zhǔn)確性。

1 資料與方法

1.1 研究對象 納入2020年10月-2021年9月武漢大學(xué)及其周邊高校的16名在校學(xué)生作為被試志愿者。其中男11名，女5名，年齡(21.6±2.5)歲，均為右利手，視力正常或矯正正常。納入標(biāo)準(zhǔn)：年齡≥18歲，身體健康，無心腦血管疾病史，無精神疾病史。試驗方案由中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院倫理委員會批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號：APMH20001)，參與研究者均簽署書面知情同意書。

1.2 試驗設(shè)計 本研究以ECG信號作為分析HRV的金標(biāo)準(zhǔn)，采用HeaLink(R211A型)微型心電記錄儀采集ECG信號，采樣頻率為400 Hz。fNIRS信號通過NIRX公司臺式近紅外腦功能成像系統(tǒng)采集，采樣頻率為31.25 Hz，fNIRS在頭部的通道布局及其在大腦皮質(zhì)的映射位置如圖1所示，由1個發(fā)射器和4個接收器組成，形成4個通道。左手食指佩戴1個發(fā)射器和1個接收器，形成1個通道；發(fā)射器和接收器之間的距離為3 cm。試驗中每一位被試志愿者進(jìn)行20 min的靜息態(tài)測量，整個過程中實時同步采集ECG數(shù)據(jù)與fNIRS數(shù)據(jù)。根據(jù)不同方法或部位采集的數(shù)據(jù)分為三組：ECG組(ECG采集的數(shù)據(jù))；fNIRS頭部組(fNIRS在頭部采集的4個通道的平均數(shù)據(jù))；fNIRS手指組(fNIRS在左手食指采集的數(shù)據(jù))。

圖1 功能近紅外光譜(fNIRS)腦通道分布及其映射位置Fig.1 Distribution of the brain channel and the projection of the channel

1.3 數(shù)據(jù)處理 從fNIRS中采集的原始數(shù)據(jù)為波長780 nm和830 nm兩種光源的光強(qiáng)信號，基于修正的朗伯比爾定律將其轉(zhuǎn)換為血氧信號。將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換去趨勢、去運(yùn)動偽跡后，再在1~2 Hz間選取頻帶，利用帶通濾波提取心跳成分，最后使用基于自動多尺度的峰值檢測(automatic multiscalebased peak detection，AMPD)算法[6]來識別峰點(diǎn)，計算出RR間期，進(jìn)一步分析得到HRV。

1.4 HRV參數(shù) HRV分析可分為超短時(＜5 min)、短時(5~60 min)和長時(1~24 h)，本研究主要分析短時HRV，評估了部分時域、頻域、非線性指標(biāo)中比較有代表性、應(yīng)用較為廣泛的HRV參數(shù)：交感神經(jīng)指數(shù)(sympathetic nervous system index，SNS指數(shù))、副交感神經(jīng)指數(shù)(parasympathetic nervous system index，PNS指數(shù))、壓力指數(shù)、RR間期的平均值(Mean RR)和標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation of normal-tonormal RR intervals，SDNN)、RR間期直方圖的底寬(triangular interpolation of normal-to-normal intervals，TINN)，以及與RR間期時間序列復(fù)雜度相關(guān)的近似熵(approximate entropy，ApEn)和樣本熵(sample entropy，SampEn)。

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理 采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。計量資料以表示，首先使用Kolmogorov-Smirnov(K-S)法對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗，對其中不符合正態(tài)分布的HRV參數(shù)(PNS指數(shù)、SNS指數(shù)、SDNN和TINN)使用正態(tài)得分法進(jìn)行正態(tài)性轉(zhuǎn)換；fNIRS在手指與頭部測量短時HRV的一致性采用配對t檢驗；fNIRS在手指與頭部測量的短時HRV與ECG金標(biāo)準(zhǔn)的一致性采用單因素方差分析，進(jìn)一步兩兩比較采用LSD-t檢驗。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 fNIRS在手指與頭部測量的短時HRV的一致性對基于手指1個通道分析的短時HRV參數(shù)與基于頭部4個通道整體疊加平均得到的短時HRV參數(shù)進(jìn)行對比，所有短時HRV參數(shù)差異均無統(tǒng)計學(xué)意義，fNIRS在手指與頭部測量的短時HRV具有良好的一致性，但是手指測量到的短時心率變異性參數(shù)相較于頭部測量的參數(shù)在自主神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)(如PNS指數(shù)、SNS指數(shù))上總是出現(xiàn)偏低的趨勢(表1)。

表1 靜息態(tài)下fNIRS在手指與頭部測量的短時HRV參數(shù)比較Tab.1 Comparison of short-term HRV parameters measured by fNIRS at the finger and on the forehead in resting state

2.2 fNIRS與ECG測量的短時HRV的一致性 對ECG測量的HRV、fNIRS頭部測量的HRV及fNIRS手指測量的HRV進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，三組間大部分短時HRV參數(shù)(PNS指數(shù)、SNS指數(shù)、壓力指數(shù)、Mean RR、SDNN及TINN)差異無統(tǒng)計學(xué)意義，僅ApEn(P＜0.05)和SampEn(P＜0.01)差異有統(tǒng)計學(xué)意義。其中，ECG測量的短時HRV參數(shù)PNS指數(shù)、SNS指數(shù)、壓力指數(shù)、Mean RR、SDNN及TINN與fNIRS頭部測量的HRV參數(shù)差異無統(tǒng)計學(xué)意義，二者間的一致性良好；但ECG測量的復(fù)雜度相關(guān)參數(shù)ApEn(P＜0.05)和SampEn(P＜0.01)明顯高于fNIRS頭部測量的HRV參數(shù)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義。ECG測量的短時HRV參數(shù)(PNS指數(shù)、SNS指數(shù)、壓力指數(shù)、Mean RR、SDNN及TINN)與fNIRS手指測量的HRV參數(shù)差異無統(tǒng)計學(xué)意義；但ECG測量的HRV參數(shù)ApEn(P＜0.05)和SampEn(P＜0.01)明顯高于fNIRS手指測量的HRV參數(shù)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(圖2)。

圖2 靜息狀態(tài)下ECG、fNIRS頭部與fNIRS手指測量的短時HRV參數(shù)比較Fig.2 Comparison of short-term HRV parameters measured by ECG, fNIRS head and fNIRS finger in resting state

3 討 論

本研究結(jié)果表明，手指測量的短時HRV參數(shù)相較于頭部測量的短時HRV參數(shù)在自主神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)(如PNS指數(shù)、SNS指數(shù))上總是出現(xiàn)偏低的趨勢，這可能與fNIRS從頭部測量的信號包含心跳成分和神經(jīng)活動成分，fNIRS從手指測量的信號只包含心跳成分，而自主神經(jīng)系統(tǒng)的活動會受到大腦神經(jīng)活動的調(diào)控有關(guān)[8]。此外，ECG測量的短時HRV參數(shù)與fNIRS測量的短時HRV主要差異在于復(fù)雜度相關(guān)熵參數(shù)，對于差異的來源，本研究認(rèn)為是由于fNIRS采樣頻率(31.25 Hz)與ECG的采樣頻率(400 Hz)差異較大，使fNIRS提取到的RR間期的復(fù)雜度小，從而導(dǎo)致熵參數(shù)較小所致。已有研究發(fā)現(xiàn)，采樣頻率會對HRV的測量造成影響，如Giardino等[33]觀察到，PPG測量的HRV與ECG測量的HRV頻域變量之間的相關(guān)性隨著采樣頻率從1000 Hz下降到10 Hz而降低，且低于100 Hz時影響更為明顯。因此，fNIRS采樣頻率過低會導(dǎo)致fNIRS測得的短時HRV結(jié)果在熵參數(shù)(如ApEn和SampEn)上不準(zhǔn)確。此外，本研究發(fā)現(xiàn)，從總體趨勢上看，用fNIRS在頭部測量的HRV更接近于ECG測量的結(jié)果。Holper等[5]的研究也發(fā)現(xiàn)，存在自主神經(jīng)系統(tǒng)活動時(如在控制呼吸和溫度變化的條件下)，相較于PPG技術(shù)在手指測量的HRV，fNIRS技術(shù)在頭部測量的HRV更接近于ECG金標(biāo)準(zhǔn)，這也證實了本研究的結(jié)果。

HRV監(jiān)測分析已成為心理學(xué)、生理學(xué)，以及臨床研究的一個重要組成部分。在健康領(lǐng)域，HRV被認(rèn)為是衡量心臟健康及預(yù)測心源性猝死的指標(biāo)。Shaffer等[9]發(fā)現(xiàn)HRV可作為預(yù)測與抑郁相關(guān)的心血管疾病風(fēng)險和死亡風(fēng)險的生物標(biāo)志物；Guzik等[10]也發(fā)現(xiàn)HRV可用于預(yù)測心肌梗死后過早死亡或發(fā)生充血性心力衰竭的風(fēng)險；HRV還能輔助診斷創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙(PTSD)[11]并預(yù)測其癥狀嚴(yán)重程度[12]等。在心理學(xué)方面，HRV能評估自主神經(jīng)系統(tǒng)的狀態(tài)，可反映廣泛性焦慮障礙及PTSD等的焦慮嚴(yán)重程度[13]；HRV生物反饋訓(xùn)練干預(yù)可有效改善自主神經(jīng)系統(tǒng)的功能[14]。在認(rèn)知方面，HRV較高的個體在注意力、工作記憶和執(zhí)行功能等神經(jīng)認(rèn)知方面表現(xiàn)優(yōu)異，主要是由于較高的HRV與心理彈性有關(guān)，使個體能有效適應(yīng)變化并表現(xiàn)出良好的執(zhí)行認(rèn)知任務(wù)的能力[7]。此外，在個體訓(xùn)練方面，HRV指導(dǎo)的訓(xùn)練可能是一種提高個體訓(xùn)練適應(yīng)能力的有效方法[15]；以每日HRV為指導(dǎo)的訓(xùn)練能更有效地提高個體的體能和運(yùn)動表現(xiàn)[16-17]。

綜上所述，本研究評估了fNIRS與ECG測量短時HRV的一致性，發(fā)現(xiàn)除與復(fù)雜度相關(guān)的熵參數(shù)外，fNIRS測量的短時HRV參數(shù)與ECG測量結(jié)果基本一致，但這種一致性可能受到心跳、血壓或其他生理參數(shù)以及個體差異等因素的影響。因此，需要采用更大樣本的研究來進(jìn)一步探索不同測量方法對短時HRV的影響。HRV已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，但是單一的HRV監(jiān)測也有較大的局限性，因為受神經(jīng)調(diào)節(jié)的生理系統(tǒng)如大腦系統(tǒng)、心臟系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)之間，在不同的生理狀態(tài)下均可表現(xiàn)出不同程度的活動和相互作用[18]，HRV分析難以表征各系統(tǒng)之間的這種相互作用。大腦與心臟之間存在緊密的相互作用，大腦可通過自主神經(jīng)系統(tǒng)中的交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)分支直接控制心臟，還可通過中樞系統(tǒng)自主命令直接改變心臟功能，而心臟也可通過向自主神經(jīng)系統(tǒng)反饋來改變其功能以響應(yīng)壓力、情緒等的變化[19]。fNIRS作為常用的腦功能活動測量設(shè)備，對被試環(huán)境非常友好，可用于一般日?；顒拥谋O(jiān)測，而本研究進(jìn)一步證明了fNIRS測量短時HRV的可行性與準(zhǔn)確性。為了更好地評估大腦與心臟之間的相互作用[20]，未來可基于fNIRS原理設(shè)計出方便且隱蔽的可穿戴設(shè)備，實現(xiàn)一般日常活動過程中的腦功能活動與HRV的實時同步監(jiān)測。