低溫環境下心率變異性分析研究*

朱宏亮，韓兆星，余松林，胡祝強，王慧泉△

(1.天津工業大學 電子與信息工程學院，天津 300100；2.中國礦業大學 資源與安全工程學院，北京 100083； 3.天津計量監督檢測科學研究院，天津 300192)

1 引 言

低溫作業在我國眾多領域均有涉及，國家標準GB/T14440-1993《低溫作業分級》規定，作業人員在生產勞動過程中，其工作地點平均氣溫等于或低于5℃的作業即為低溫作業,按工作地點的溫度和低溫作業時間率，可將低溫作業分為四級，級別越高環境越惡劣[1-3]。盡管在低溫作業環境下有足夠保暖的衣服，但作業人員身體仍有裸露部分，受冷后均會對人體產生局部性或全身性冷感，且長時間在低溫下暴露會影響腦功能，使注意力不集中，對心血管系統也有所影響[1]。因此，本研究通過模擬低溫作業人員在低溫環境下的心電來進行分析，旨在為低溫作業人員提供安全保障，及時預警，提高作業效率。

2 實驗研究

2.1 實驗環境及實驗對象

本實驗選用多因素復合環境實驗艙作為實驗環境，該艙溫度控制在-50℃～60℃，相對濕度控制在10%～90%，最大風速可達30 m/s。另外，根據全國主要城市低溫分布數據(見表1)，將實驗環境定在-10℃。

為了更好模擬應急救援人員，本實驗樣本選取3名身體健康、無凍傷史的男性志愿者，年齡23～25周歲，身高(173.2±3.5)cm，體重(65.7±8.5)kg。平時體育訓練水平一般，無心血管疾病，無心率異常。實驗前不劇烈運動，不飲酒，不喝咖啡，未服用對心血管系統有影響的藥物。

表1 全國主要城市綜合溫度Table 1 Comprehensive temperature of major cities in China

注：中央氣象臺1951～1980年氣象資料統計。

2.2 實驗方法

使用采樣率為256 Hz的EQ02 life monitor背帶式心電設備同時采集3名受試者心電信息。首先由工程師將艙內的溫度設定在-10℃，待3名受試者佩戴好設備，穿好衣服，戴好帽子，但是不帶手套，常溫檢測10 min心電。然后3名受試者從常溫下進入-10℃模擬艙，每10 min測試一次心電，記錄并保存數據。40 min后出艙開始緩和20 min，緩和期間對3名受試者每10 min檢測一次心電，緩和后再對受試者進行10 min心電檢測，查看恢復情況。實驗后對進艙前、低溫下和緩和期間的心電進行時域、頻域和非線性分析。

2.3 分析方法

2.3.1 時域分析 HRV時域分析為心臟和心血管生理狀況的評估和預測起到重要作用。本研究采用的時域分析指標為：平均正常RR間期的標準差(SDNN)、相鄰RR間期差的均方根(RMSSD)、相差大于50 ms的相鄰RR間期占RR間期總數的百分比(PNN50)[4]。

2.3.2 頻域分析 頻域分析即功率譜分析。相對于時域分析，心率變異性的頻域分析是從頻譜分析的角度對心率變異性變化的規律進行更深層次分析，常見的信號功率譜密度分析方法有經典功率譜分析和現代參數建模法[5]。經典功率譜分析法的數據量小，譜分辨率低，能量會發生泄露的現象，而AR模型法可以提高譜分辨率。因此針對本研究數據，采用AR模型法進行頻域分析。頻域分析指標為：低頻成分(LF，0.04～0.15 Hz)、高頻成分(HF，0.15～0.4 Hz)、總功率(TP，0.003～0.4 Hz)[6-7]。

2.3.3 非線性分析 本研究采用非線性指標Poincare散點圖作為非線性分析方法。Poincare散點圖是常用的心率變異性非線性分析研究，又稱Lorenz散點圖，是具有混沌特性的多維“空間結構”截面圖。因此，用Poincare散點圖來表征相關生理特性，可以反映心臟跳動的瞬時變化，也可以反映出外界環境對心臟的影響。

2.4 統計學方法

3 數據結果

3.1 心率變異性時域分析

表2 時域結果統計表Table 2 Time domain result table

注：*P<0.05，**P<0.01。

3名受試者時域結果見表2，SDNN、RMSSD、pNN50隨著時間變化，存在顯著性差異。進艙前SDNN、RMSSD和pNN50的值相對低溫下1～10 min的值發生變化。在-10℃低溫條件下，前30 min的SDNN、RMSSD和pNN50逐漸減小，在30～40 min時，SDNN、RMSSD、pNN50(P<0.05)值最大，SDNN(P<0.05)、RMSSD、pNN50緩和時10～20 min值最大。緩和后SDNN、RMSSD和pNN50的值減小，值接近進艙前，時域指標變化見圖1。

圖1時域指標變化

Fig.1Change of time domain indicators

3.2 頻域分析

3名受試者頻域結果見表3，在進艙前和低溫1～10 min下的TP、HF和LF發生變化，其值均減小且無顯著性差異。TP、HF和LF在低溫下30～40 min的值最大，其中HF(P<0.05)有顯著差異，出艙緩和1～10 min的TP、HF和LF減小，在10～20 min達到最大，且TP(P<0.5)有顯著性差異。緩和后1～10 min的TP、HF和LF減小，值接近進艙前，頻域指標變化見圖2。

表3 頻域結果統計表Table 3 Time domain result table

注：*P<0.05，**P<0.01。

圖2 頻域指標變化Fig.2 Change of frequency domain indicators

3.3 非線性分析

健康人的Poincare散點圖呈現彗星狀，在患有心血管疾病的人群中Poincare散點圖會呈現扇形，短棒狀和復雜形。3名受試者在進艙前、低溫下、緩和間期和緩和后得到的散點圖基本為彗星狀，其中一名受試者在進艙前、低溫下、緩和間期和緩和后的散點圖見圖3。

圖3 散點圖Fig.3 Scatter plot

4 分析與討論

本研究通過對時域和頻域的分析發現，從常溫進入-10℃的低溫環境，時域中SDNN、RMSSD和pNN50，頻域中TP、HF、LF的值均先減小再升高，在30～40 min后的值達到最大，緩和20 min后均恢復正常。通過SDNN值的變化說明在低溫下30 min后，自主神經系統調節功能大幅度提高。緩和20 min后，自主神經調節功能大致恢復。pNN50和RMSSD的值的變化說明低溫30 min后，副交感神經活性增強,20 min后恢復到正常水平。HF和LF在進艙前和低溫中的值發生變化，說明迷走神經和交感神經活性發生變化，在30 min后迷走神經和交感神經活性大幅度提高，緩和20 min后，恢復到正常水平。通過對散點圖的分析，得知在低溫下40 min并不會引發心血管等疾病。

本研究雖然未發現頻域指標在低溫40 min內有顯著性差異，但發現反應的趨勢與時域結果基本一致。此外本研究發現低溫對交感神經和副交感神經影響程度不同，這種差異的具體原因和機制還有待進一步研究。