基于心率和心电图的可穿戴设备在预防马拉松猝死中的可行性分析

李高华

（河南农业大学体育学院，河南 郑州 450002）

2011年，中国田径协会明确规定要贯彻实施《全民健身计划（2011-2015）》，以马拉松运动为龙头，在开展马拉松运动的同时，努力把马拉松运动和全民健身结合起来，并逐步发展形成以赛事、活动为平台，覆盖面广、特点鲜明的全民健身运动模式[1]。据田协的统计，截至2016年6月，在协会注册备案的马拉松及相关运动赛事达到195场，比2011年增长了近8倍。其中，2015年中国马拉松参赛人数超过150万人，超过2011年近4倍。另外，全国跑团的数量已超过12万个，常年参与跑团活动的总人次超过1000万[2]。2016年共计330场,几乎是2015年（134场）的2.5倍，数量的暴涨体现了马拉松运动在中国的发展速度[3]。

在城市马拉松火爆的同时，安全问题不得不引起高度警示。2004-2016年间马拉松选手猝死事件19例，最早一例为2004年10月的北京国际马拉松，最近的一例为2016年5月的江西德兴铜矿马拉松。涉及北京、上海、广州、深圳等12个省市以及香港和台湾地区[4]。这些猝死事件的发生对于城市马拉松的发展产生了巨大负面影响，对于筹办方和个人带来不可挽回的损失。故对马拉松赛事中可能出现的猝死的预防显得尤其重要。

1 马拉松猝死的生理学原因分析

据统计，运动性猝死中，90%以上都是心源性猝死[5]。平时缺乏系统的训练就贸然参加马拉松比赛，或者不遵循训练原则，盲目地加大运动量和运动强度，都可能诱发心律失常、心肌缺血、心电图ST段异常改变，T波倒置、高尖和心力衰竭，从而造成运动性猝死。过大的运动强度更容易引发运动性猝死，因此，锻炼时要控制好靶心率。随着运动穿戴设备的普及，使得在马拉松运动中通过穿戴设备中的实时心率和动态心电图监控运动强度、预防猝死成为可能。

2 心率和心电图指标与运动中猝死的关系

国内对心率和心电图的研究中主要集中在医学领域，较少涉及到运动医学和运动训练学方面。龚玲综述了大量相关文献，得出心率是一个独立的危险因子，全因死亡率、心血管病死率及冠脉所致病死率均随静息心率加快而升高，静息心率的预测作用在心肌缺血性疾病中已被证实[6]。快心率对心血管事件的发生有着一定的病理学意义，心率的增快可能联系着血流动力学的改变、血管顺应性下降、血管内皮功能受损以及血管炎症反应等。心率过度增加，增加了耗氧、减弱了冠状动脉灌注，并可能加剧冠脉事件的发生。心率变异性实际上就是对窦性心律不齐程度的一种新秒速，反映了自主神经系统对窦房结功能的综合作用，因此可以判定自主神经系统与运动员心源性猝死之间的关系[7]。

国外的相关研究成果为通过心率和心电图来监控马拉松赛猝死风险提供了理论支撑。Billat等人在研究马拉松过程中，运动员疲劳时引起心率和跑速的对应关系的变化规律，为预防马拉松猝死提供了证据[8]。心率变异性也可能作为慢性心衰[9]和预测心脏性猝死和心律失常事件中的有价值的指标[10,11]。在心肺功碍和动脉粥样硬化[12]。研究者还比较了猝死和慢性心力衰竭造成的死亡之间在心率变化、矿质元素和血液指标上差异，其中认为心率的变化程度对于预测猝死具有显著相关[13]。心电图T波电交替图形改变也是预测运动猝死的风险因素[14]。脉搏血氧饱和度也可以作为监控运动猝死前期低氧血症的有效指标[10]。运动恢复期心脏复极化异常与猝死高度相关，可以用QT-RR之间的关系作为猝死的预测参数[15]。

3 心率在运动监控中的应用

而最大心率的公式推算是这一切利用心率来进行预防猝死的基础。比较常用的是Fox推出的：HRmax=220-年龄，其实最早提出用年龄推算最大心率的是Robinson1938年提出的公式：HRmax=212-0.77╳年龄。对于一般人群而言，国际上使用较多的最大心率公式是：HRmax=208-0.5╳年龄[16]。由于个人最大心率受到年龄，训练水平，体质状况，疾病状态等因素的影响，这些公式的推导在某种程度上受到限制。Miller认为肥胖者可以用HRmax=220-0.5╳年龄，来推算最大心率[17]。因此在确定最大心率时要考虑个体因素，选择相应的公式，最直接最准确的是采用运动测试的方法。由运动生理学知识可知，运动时的安全心率范围可通过下面公式来确定：（60%-80%）╳（最大心率-安静时心率）+静息心率。所以在可穿戴设备中，可根据使用者个人的具体情况设置最大心率和安静心率，从而控制好运动中的靶心率。

4 可穿戴设备在马拉松猝死中应用的原理和可行性

2015年，国家大力倡导“互联网+”的发展，“互联网+运动健康”成为解决大众健身中安全问题的重要突破口。随着智能手机的发展和基于Android和IOS系统的可穿戴设备在运动健身领域的应用，越来越多的设备用来监控运动中的生理指标。报道智能手机实时心电图监控系统辅助诊断竞技运动员心动过速，为预防运动中猝死的发生提供了良好途径。目前现有的可穿戴设备所获得的数据反映了单一的健康指标监测，没有体现不同个体之间的差异，并且不能对监测的数据进行个性化的分析对比，也没有植入以运动医学相关知识为背景进行数学模型的算法，很难真正意义上起到预测运动中猝死的作用。

所以本研究提出：利用运动医学的背景知识，选取与运动诱导的心血管风险高度相关的生理指标（心率、心率变异性、心电图各种特异性病理波形等），并结合数学建模的方法形成参考模型，与个人用户可输入日常运动中相关数据进行分析整合，可以在个体运动中病发时或病发前及时发出报警信息终止运动，或寻求及时的医疗帮助，从而预防运动中风险的发生。

5 小结

心率是一个非侵入式、灵敏性很高的易变指标，通过运动中心率变化可监控运动强度,预防马拉松运动中的猝死风险发生。随着移动设备的普及化，物联网硬件的迅猛发展，使得通过可穿戴设备来实时监控心率、心电图等运动医学相关生理指标来监控运动中的危险成为可能。

[1]高丽丽.兰州国际马拉松赛的运行特征分析[D].兰州：西北师范大学体育学院，2013.

[2]中国新闻网.中国田径里约奥运形势不容乐观将以奖牌为主要目标[EB/OL].http：//www.chinanews.com/ty/2016/06-07/7897534.shtml.2016-06-07.

[3]搜狐体育. 2016马拉松大数据[EB/OL].http：//sports.sohu.com/ 20161226/ n4746 50993.shtml.

[4]肖克凡, 董广新.我国马拉松赛选手猝死事件调查研究[J].体育成人教育学刊, 2016, 32（5）：18-21.

[5]龚玲.心率：一个独立的危险因子——现有的证据及基本机制[J].心血管病学进展，2009,30（4）：634-636.

[6]罗小兵,朱寄天.心率变异性分析及其在体育运动中的应用[J].成都体育学院学报, 1997,23(3)： 69～ 75.

[7]柳盼盼.基于polar心率数据对预防马拉松猝死的思考[J].当代体育科技，2016，19（13）.13-15.

[8]Billat V L, Mille-Hamard L, Meyer Y, et al. Detection of changes in the fractal scaling of heart rate and speed in a marathon race[J]. Physica A： Statistical Mechanics and its Applications, 2009, 388(18)： 3798-3808.

[9]Iellamo F, Manzi V, Caminiti G, et al. Dose-response relationship of baroreflex sensitivity and heart rate variability to individually-tailored exercise training in patients with heart failure[J]. Int J Cardiol, 2013,166(2)： 334-9.

[10]Aubert, A.E.et al.Heart rate variability in athletes，sports Med[J].2003：889-919.

[11]IhabGirgis, MD.effect of clonidine on heart rate variability in congestive heart failure[J].Am J Cardiol 1998,82：335-337.

[12]Chaudhry S, Kumar N, Behbahani H, et al. Abnormal heart-rate response during cardiopulmonary exercise testing identifies cardiac dysfunction in symptomatic patients with non-obstructive coronary artery disease[J]. Int J Cardiol, 2016, 228： 114-121.

[13]Madsen B K, Rasmussen V, Hansen J F. Predictors of sudden death and death from pump failure in congestive heart failure are different. Analysis of 24 h Holter monitoring, clinical variables, blood chemistry,exercise test and radionuclide angiography[J]. Int J Cardiol, 1997, 58(2)： 151-62.

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[15]Johnson N P, Holly T A, Goldberger J J. QT dynamics early after exercise as a predictor of mortality[J]. Heart Rhythm, 2010, 7(8)： 1077-84.

[16]叶卫兵.运动实践中最大心率推算公式的准确性[J].中国临床康复，2005，9（8）：178-179.

[17]MillerWC,etal.predicting max HR and the HR-VO2 relationship for exercise prescription in obesity. Med Sci Sports Exerc1993;25(9)：1077-1081.