運動恢復期的心率不對稱性研究

李安安，石萍，吳亮，喻洪流

(上海理工大學康復工程與技術研究所，上海 200000)

1 引 言

心率不對稱性(heart rate asymmetry, HRA)是一種反映心率波動中加速和減速模式不對稱的現象，是交感神經系統和副交感神經系統平衡作用的結果。HRA在正常心跳搏動過程中是一個很明顯的現象，表現在Poincaré圖標識線上下方點的不均勻分布，能較為直觀地體現出短期內逐次心跳的加速和減速模式的不平衡性，評價心率或RR間期時間序列信號的時間不可逆性。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，通過圖像可以直觀地觀察到。

頻率譜的研究方法被廣泛應用于HRV研究中，但實驗條件較高，外界因素(噪音、光線等)對實驗結果影響較大。還有一些研究引入動態和混沌信號如Lyapunov指數[1]、復雜度[2]以及一些熵指標等。Yan等[3]提出了面積指數AI，結合相位角和距離特征來評估HRA，并通過實驗證明該方法比以前傳統的Porta指數(PI)和Guzik指數(GI)在評估短期HRV序列的HRA現象上有更好的效果。Wang等[4]利用Poincaré圖解法對二維平面RR間期時間序列與初始值進行對比，探討了呼吸對于心率與血壓不對稱性的影響。近年來，非線性分析方法在HRV相關研究中表現出更好的準確性，在臨床疾病以及健康監測評估方面有著廣泛的應用。有研究使用復相關度量(CCM)的方法結合Poincaré圖的標準指標SD1和SD2分析胎兒心率變異性(fHRV)時間序列的動態可變性，得出胎兒心率也普遍存在HRA現象，且在妊娠過程中持續升高[5]。基于先前的研究，Kaczmarek等[6]利用經典的頻域指標(LF、HF、LF/HF)及HRA指標(C1d、C2d)結合Poincaré圖分析了情緒對于心率不對稱性的影響，表明HRA對于心理因素較為敏感，是區分情感之間細微差別的良好指標。

目前，基于HRA的人體監測評估研究中，受試者多處于靜態或特定姿勢。實際上，日常活動或運動對于個體的心血管系統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，動態和靜態活動期間自主神經的控制作用在本質上是不同的，且可以通過血壓(BP)和HRV等指標表現出來。運動必然導致心率的變化，運動后心率恢復是評價自主神經系統的常見指標，HRV結合HRA指標的分析能夠明顯的體現運動后心率恢復情況，具有預后意義，并被認為與副交感神經張力的異常恢復有關，是評估自主神經系統功能的優異指標[8]。

運動恢復期，即停止運動后心率血壓逐漸恢復平穩的過程。本研究通過實驗，采用非線性參數結合已有的頻域指標分析運動后恢復期自主神經系統和心血管系統功能的復雜調控過程，利用VLF、LF、HF等頻域指標評估交感副交感神經在運動后恢復期的功能。特別考察了HRA在運動后身體各項機能恢復過程中的評估作用，證明HRA相關非線性參數(SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd)對運動敏感，與HRV參數結合能夠更全面地評估運動相關的自主神經調控過程。

2 實驗研究

2.1 實驗環境及實驗對象

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心血管疾病，無心率異常。告知受試者實驗前一周不要吸煙或進行任何劇烈運動，實驗前三天內不攝入酒精、咖啡因或其他可能影響心血管活動的藥物。受試者均自愿參加，并簽署了知情同意書。

2.2 實驗方法

本實驗在安靜，溫度溫和的室內進行[9]。實驗前，受試者被要求靜坐放松，采集5 min靜息狀態下的心電信息(ECG)，同時采集肱動脈血壓(BP)并記錄數據。之后，受試者在跑步機上以6 km/h的速度進行3 min的跑步，結束后，立即采集5 min恢復期的ECG信號，并同步記錄血壓。

本研究使用Power-LAB/16SP系統(Castle Hill AD Instrument)采集ECG信號，采樣頻率1 kHz，經0.13 Hz高通濾波器和100 Hz低通濾波器濾波。肱動脈血壓使用OMEON HEM-7211型血壓測量儀測量。

3 數據分析

3.1 HRV參數

本研究考察了HRV的頻域指標，包括：反映交感神經功能的0.003～0.04 Hz的極低頻段(VLF)；反映交感神經功能的0.04～0.15 Hz的低頻段(LF)；評估副交感神經功能的0.15～0.4 Hz的高頻段(HF)，該頻段還受呼吸的影響。實驗選取每段ECG信號的后5 min，提取RR間期序列，計算HRV頻域參數VLF(ms2)、標準化后的HF(n.u.)和LF(n.u.)。通過以上常規HRV參數來評估主動運動后，短時恢復期的自主神經功能的變化。

3.2 HRA指標

HRA是基于Poincaré圖描述的一種RR間期標志點關于標識線上下不均勻分布的現象。Poincaré圖中的標識線指的是與X軸成45°角且通過原點的線(y=x)，也被稱為等值線。其中，SD1是垂直于標識線的標準偏差，而SD2是沿標識線繪制的點的標準偏差[10]。

基于Poincaré圖引入短期HRA非線性指標SD1a、SD1d，長期HRA非線性指標SD2a、SD2d以及總HRA非線性指標SDNNa、SDNNd來評估心率加速和減速模式對心血管自主神經調節功能的影響，這些指標可分別通過以下公式計算[11]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

3.3 統計學分析

配對樣本t檢驗用于檢驗HRV參數在運動前后之間的差異，對于HRA指標(SD1a和SD1d，SD2a和SD2d，SDNNa和SDNNd)之間的差異，采用Wilcoxon檢驗進行配對比較。本研究還通過Spearman相關分析，研究頻域指標與非線性指標之間的關系，驗證研究方法的可行性。使用SPSS軟件(版本24，IBM，New York，USA)進行統計學分析，P<0.05表示兩組之間具有顯著性差異。

4 實驗結果

運動后5 min內收縮壓(SBP)、舒張壓(DBP)以及心率(HR)的恢復情況，見圖1。由圖可見，運動后恢復期，收縮壓下降明顯，在4.5 min左右達到最低值，后小幅度上升，舒張壓持續下降至2.5 min，小幅度上升后，繼續下降，在4 min左右逐漸進入平穩狀態，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。

圖1 運動后5 min心率血壓恢復情況

圖2為受試者運動前靜息狀態和運動后恢復期的頻域指標對比，VLF和HF在運動后恢復期下降，其中HF顯著下降(P<0.001)，說明運動后恢復期副交感神經活動被抑制。LF在運動后顯著升高(P<0.001)，表明運動后交感和副交感神經的復雜非線性調節作用加劇。

圖2 運動前后頻域指標對比

由圖3可知，無論是加速模式還是減速模式，在運動后恢復期SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd都較靜息狀態有明顯的減弱現象。正態檢驗表明每組數據無異常值，且服從正態分布。圖3(a)中，靜息狀態下的HRA加速指標SD1a，SD2a和SDNNa分別為(19.77±14.67)ms，(53.34±22.61)ms和(40.43±18.57)ms。運動后恢復期的三個加速指標顯著下降(P<0.01)。三個減速指標SD1d、SD2d和SDNNd和加速指標一樣，運動前后具有顯著的下降趨勢(P<0.01)，見圖3(b)。

圖3 運動前后SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa、SDNNd對比

表1分析了運動前靜息狀態和運動后恢復期的HRA非線性指標與部分頻域指標的相關性，以了解自主神經系統的恢復情況。由表1可知，靜息狀態下LF只與短期HRA(SD1a、SD1d)呈明顯的負相關，HF與短期HRA(SD1a、SD1d)呈正相關，VLF與短期HRA(SD1a、SD1d)無明顯相關性，而與長期HRA(SD2a、SD2d)和總HRA(SDNNa、SDNNd)呈正相關。運動后恢復期頻域指標與非線性指標均有明顯的相關性，其中LF與短期HRA中的加速模式(SD1a)及總HRA的減速模式(SDNNd)有顯著的負相關性，相反，HF與SD1a及SDNNd呈顯著正相關，VLF與選取的非線性指標都有明顯的正相關特性。

表1 運動前后頻域指標與非線性指標的相關性

5 討論

本研究利用HRA非線性指標結合HRV頻域指標評估運動后恢復期的自主神經系統調節過程。目前HRA的起源機制尚不清楚，它的發生可能與多種機制相關，其中壓力感受器反射和化學感受器反射對其影響相對較大，如血壓的升高降低，呼氣吸氣等都會使壓力感受器表現出一定的不對稱性，這種不對稱性可以通過評估HRA的非線性指標直觀地表現出來，并且進而反映一些身體機能。一般來說，病理狀態下，HRA現象有一定程度減弱。因此，保持適當的HRA水平是評價機體生理健康的標志。通過參數的分析，可以實現對特定疾病的預判以及對健康人群不同狀態下的生理參數的監測。

HRV能反映逐次竇性心律周期的變化程度，是表現自主神經系統功能的常見指標，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]、術后心肌缺血[15]以及1型糖尿病[16]等都有可能導致HRV的異常。傳統的HRV研究始于時域頻域分析，通過簡單的指標如SDNN、pNN50、LF、HF以及LF/HF等直觀地進行分析，但是能夠解釋的現象較為局限且反映結果較為粗略。而HRA現象的出現，表明生理信號中存在著復雜的非線性動力學問題，基于Poincaré圖的多個HRA非線性指標(SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd)可以更加準確地描述心率周期中加速、減速模式的分布狀態，對自主神經系統和心血管系統的復雜調控過程進行更加精準地評估。

本研究結果顯示，運動恢復期，LF顯著上升(P<0.05)，HF、VLF、SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd顯著減小(P<0.01)；運動恢復期HRV頻域指標與HRA非線性指標之間的相關性顯著增大(P<0.05)。實驗數據顯示，運動后心動周期中加速、減速模式均減弱，且運動后變率從加速模式轉移到減速模式，減速模式作用一定程度上高于加速模式，這是由于運動恢復期迷走神經重新激活，減速模式發揮主要作用，促使心率下降，與交感神經交互作用，調節心血管系統的功能。一般減速模式在長期HRV中占主導作用，加速模式在短期HRV中貢獻更多。因此，對HRA的有效分析能夠補充HRV對自主神經系統的評估，且特定狀態下，HRA參數的改變可以反映自主神經的特殊調控反應，這些現象說明HRA非線性參數在評估運動后的自主神經系統調控機制上有很好的作用。

本研究中，我們還考察了心率和血壓等指標。運動使交感神經活動加強，會激活加速模式，使得心跳加快，血壓增高，實驗數據得出，運動后HRV頻域指標VLF顯著減小和LF顯著增大，這主要是運動引起交感神經興奮。副交感神經節前纖維又稱為迷走神經，在運動后恢復期興奮，減速模式發揮主導作用，引起心輸出量減少，心率下降，其興奮性反彈甚至會出現超過運動前水平的現象，被稱為迷走神經重激活，可能與運動引起的人體能量代謝、內分泌系統變化以及血液動力學變化機制有關[17-19]。這種加速模式和減速模式的交替作用，保證心率血壓在運動后較為平穩地恢復至基線水平的現象說明，可能存在某種代償機制使得心血管系統在自主神經系統的調節下，能夠維持正常運作功能。研究表明HRV保持較高的水平是心率保持平穩的重要表現，通常，疾病會導致HRV水平下降，意味著自主恢復心率至正常水平的能力減弱。運動后心率慢慢恢復至基線水平被認為是副交感神經重新激活以及交感神經作用逐漸減弱的復合過程[20]。研究表明，運動后迷走神經機能改變能直接反映運動員身體機能恢復情況和訓練積極性[21]。雖然實驗中我們發現運動后心率、血壓基本逐漸恢復至基線水平，但這并不能直接說明自主神經系統也已經同步恢復為靜息狀態時的正常水平，具體恢復時間需要采集更長地時間序列進行分析。

HRA的非線性指標是基于Poincaré圖來計算的。Poincaré圖是一種提供長期或短期HRV信息的定量可視化工具，常規指標SD1和SD2分別是橫跨和沿龐加萊圖的標識線所有散布點的標準偏差，本質上和時域指標沒有區別。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]。實際上自主神經系統調控過程復雜，不能簡單的看作是線性平穩過程，而HRA現象表明生理信號中存在著具有反映方向變化的非線性動力學機制。本研究引入適當的非線性參數(SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd)用于對自主神經系統和心血管系統的復雜調控過程進行解釋。結果顯示，SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd在運動后都顯著降低，且與傳統的時域指標具有顯著的相關性，因此，頻域分析的生理學解釋可以應用于非線性參數生理學解釋上，利用HRA非線性指標能夠更為精準地分析非線性非平穩的自主神經系統與心血管系統之間的調節機制。

后續將進一步研究不同性別、年齡及身體素質人群的運動恢復期的自主神經系統調控機制，探索HRA相關非線性參數作為評價指標的有效性。

6 結論

本研究對運動前后心率、血壓、頻域指標(VLF、LF及HF)及非線性參數(SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd)進行了測量，計算了HRA非線性指標與傳統的HRV頻域指標之間的相關性。研究表明僅用簡單的HRV頻域、時域分析方法還不能全面細致地評價非平穩、非線性的自主神經系統調控過程，HRA非線性參數對心動周期中加速、減速模式進行了具體的描述，通過這些參數可以直觀地看到自主神經在運動調控過程中加速、減速兩種模式的轉變，能夠結合HRV指標進一步對自主神經系統和心血管系統交互作用進行解釋。