运动恢复期的心率不对称性研究

李安安，石萍，吴亮，喻洪流

(上海理工大学康复工程与技术研究所，上海 200000)

1 引 言

心率不对称性(heart rate asymmetry, HRA)是一种反映心率波动中加速和减速模式不对称的现象，是交感神经系统和副交感神经系统平衡作用的结果。HRA在正常心跳搏动过程中是一个很明显的现象，表现在Poincaré图标识线上下方点的不均匀分布，能较为直观地体现出短期内逐次心跳的加速和减速模式的不平衡性，评价心率或RR间期时间序列信号的时间不可逆性。HRA是心率变异性(heart rate variability，HRV)的一部分，更具体地描述了HRV的非线性性质，通过图像可以直观地观察到。

频率谱的研究方法被广泛应用于HRV研究中，但实验条件较高，外界因素(噪音、光线等)对实验结果影响较大。还有一些研究引入动态和混沌信号如Lyapunov指数[1]、复杂度[2]以及一些熵指标等。Yan等[3]提出了面积指数AI，结合相位角和距离特征来评估HRA，并通过实验证明该方法比以前传统的Porta指数(PI)和Guzik指数(GI)在评估短期HRV序列的HRA现象上有更好的效果。Wang等[4]利用Poincaré图解法对二维平面RR间期时间序列与初始值进行对比，探讨了呼吸对于心率与血压不对称性的影响。近年来，非线性分析方法在HRV相关研究中表现出更好的准确性，在临床疾病以及健康监测评估方面有着广泛的应用。有研究使用复相关度量(CCM)的方法结合Poincaré图的标准指标SD1和SD2分析胎儿心率变异性(fHRV)时间序列的动态可变性，得出胎儿心率也普遍存在HRA现象，且在妊娠过程中持续升高[5]。基于先前的研究，Kaczmarek等[6]利用经典的频域指标(LF、HF、LF/HF)及HRA指标(C1d、C2d)结合Poincaré图分析了情绪对于心率不对称性的影响，表明HRA对于心理因素较为敏感，是区分情感之间细微差别的良好指标。

目前，基于HRA的人体监测评估研究中，受试者多处于静态或特定姿势。实际上，日常活动或运动对于个体的心血管系统造成的影响不可忽视。Weippert等[7]的研究表明，在相同的心率水平下，动态和静态活动期间自主神经的控制作用在本质上是不同的，且可以通过血压(BP)和HRV等指标表现出来。运动必然导致心率的变化，运动后心率恢复是评价自主神经系统的常见指标，HRV结合HRA指标的分析能够明显的体现运动后心率恢复情况，具有预后意义，并被认为与副交感神经张力的异常恢复有关，是评估自主神经系统功能的优异指标[8]。

运动恢复期，即停止运动后心率血压逐渐恢复平稳的过程。本研究通过实验，采用非线性参数结合已有的频域指标分析运动后恢复期自主神经系统和心血管系统功能的复杂调控过程，利用VLF、LF、HF等频域指标评估交感副交感神经在运动后恢复期的功能。特别考察了HRA在运动后身体各项机能恢复过程中的评估作用，证明HRA相关非线性参数(SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd)对运动敏感，与HRV参数结合能够更全面地评估运动相关的自主神经调控过程。

2 实验研究

2.1 实验环境及实验对象

选取16名年轻健康受试者，年龄(22.3±1.2)岁，身高(174.0±8.4)cm，体重(68.4±9.5)kg，BMI (22.5±1.5)kg/m2。所有受试者均无相关心血管疾病，无心率异常。告知受试者实验前一周不要吸烟或进行任何剧烈运动，实验前三天内不摄入酒精、咖啡因或其他可能影响心血管活动的药物。受试者均自愿参加，并签署了知情同意书。

2.2 实验方法

本实验在安静，温度温和的室内进行[9]。实验前，受试者被要求静坐放松，采集5 min静息状态下的心电信息(ECG)，同时采集肱动脉血压(BP)并记录数据。之后，受试者在跑步机上以6 km/h的速度进行3 min的跑步，结束后，立即采集5 min恢复期的ECG信号，并同步记录血压。

本研究使用Power-LAB/16SP系统(Castle Hill AD Instrument)采集ECG信号，采样频率1 kHz，经0.13 Hz高通滤波器和100 Hz低通滤波器滤波。肱动脉血压使用OMEON HEM-7211型血压测量仪测量。

3 数据分析

3.1 HRV参数

本研究考察了HRV的频域指标，包括：反映交感神经功能的0.003～0.04 Hz的极低频段(VLF)；反映交感神经功能的0.04～0.15 Hz的低频段(LF)；评估副交感神经功能的0.15～0.4 Hz的高频段(HF)，该频段还受呼吸的影响。实验选取每段ECG信号的后5 min，提取RR间期序列，计算HRV频域参数VLF(ms2)、标准化后的HF(n.u.)和LF(n.u.)。通过以上常规HRV参数来评估主动运动后，短时恢复期的自主神经功能的变化。

3.2 HRA指标

HRA是基于Poincaré图描述的一种RR间期标志点关于标识线上下不均匀分布的现象。Poincaré图中的标识线指的是与X轴成45°角且通过原点的线(y=x)，也被称为等值线。其中，SD1是垂直于标识线的标准偏差，而SD2是沿标识线绘制的点的标准偏差[10]。

基于Poincaré图引入短期HRA非线性指标SD1a、SD1d，长期HRA非线性指标SD2a、SD2d以及总HRA非线性指标SDNNa、SDNNd来评估心率加速和减速模式对心血管自主神经调节功能的影响，这些指标可分别通过以下公式计算[11]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

3.3 统计学分析

配对样本t检验用于检验HRV参数在运动前后之间的差异，对于HRA指标(SD1a和SD1d，SD2a和SD2d，SDNNa和SDNNd)之间的差异，采用Wilcoxon检验进行配对比较。本研究还通过Spearman相关分析，研究频域指标与非线性指标之间的关系，验证研究方法的可行性。使用SPSS软件(版本24，IBM，New York，USA)进行统计学分析，P<0.05表示两组之间具有显著性差异。

4 实验结果

运动后5 min内收缩压(SBP)、舒张压(DBP)以及心率(HR)的恢复情况，见图1。由图可见，运动后恢复期，收缩压下降明显，在4.5 min左右达到最低值，后小幅度上升，舒张压持续下降至2.5 min，小幅度上升后，继续下降，在4 min左右逐渐进入平稳状态，心率在前2 min下降明显，后小幅下降并在4 min左右趋于平稳。

图1 运动后5 min心率血压恢复情况

图2为受试者运动前静息状态和运动后恢复期的频域指标对比，VLF和HF在运动后恢复期下降，其中HF显著下降(P<0.001)，说明运动后恢复期副交感神经活动被抑制。LF在运动后显著升高(P<0.001)，表明运动后交感和副交感神经的复杂非线性调节作用加剧。

图2 运动前后频域指标对比

由图3可知，无论是加速模式还是减速模式，在运动后恢复期SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd都较静息状态有明显的减弱现象。正态检验表明每组数据无异常值，且服从正态分布。图3(a)中，静息状态下的HRA加速指标SD1a，SD2a和SDNNa分别为(19.77±14.67)ms，(53.34±22.61)ms和(40.43±18.57)ms。运动后恢复期的三个加速指标显著下降(P<0.01)。三个减速指标SD1d、SD2d和SDNNd和加速指标一样，运动前后具有显著的下降趋势(P<0.01)，见图3(b)。

图3 运动前后SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa、SDNNd对比

表1分析了运动前静息状态和运动后恢复期的HRA非线性指标与部分频域指标的相关性，以了解自主神经系统的恢复情况。由表1可知，静息状态下LF只与短期HRA(SD1a、SD1d)呈明显的负相关，HF与短期HRA(SD1a、SD1d)呈正相关，VLF与短期HRA(SD1a、SD1d)无明显相关性，而与长期HRA(SD2a、SD2d)和总HRA(SDNNa、SDNNd)呈正相关。运动后恢复期频域指标与非线性指标均有明显的相关性，其中LF与短期HRA中的加速模式(SD1a)及总HRA的减速模式(SDNNd)有显著的负相关性，相反，HF与SD1a及SDNNd呈显著正相关，VLF与选取的非线性指标都有明显的正相关特性。

表1 运动前后频域指标与非线性指标的相关性

5 讨论

本研究利用HRA非线性指标结合HRV频域指标评估运动后恢复期的自主神经系统调节过程。目前HRA的起源机制尚不清楚，它的发生可能与多种机制相关，其中压力感受器反射和化学感受器反射对其影响相对较大，如血压的升高降低，呼气吸气等都会使压力感受器表现出一定的不对称性，这种不对称性可以通过评估HRA的非线性指标直观地表现出来，并且进而反映一些身体机能。一般来说，病理状态下，HRA现象有一定程度减弱。因此，保持适当的HRA水平是评价机体生理健康的标志。通过参数的分析，可以实现对特定疾病的预判以及对健康人群不同状态下的生理参数的监测。

HRV能反映逐次窦性心律周期的变化程度，是表现自主神经系统功能的常见指标，多种疾病如心律失常[12]、心肌梗死[13]、阻塞性睡眠呼吸暂停[14]、术后心肌缺血[15]以及1型糖尿病[16]等都有可能导致HRV的异常。传统的HRV研究始于时域频域分析，通过简单的指标如SDNN、pNN50、LF、HF以及LF/HF等直观地进行分析，但是能够解释的现象较为局限且反映结果较为粗略。而HRA现象的出现，表明生理信号中存在着复杂的非线性动力学问题，基于Poincaré图的多个HRA非线性指标(SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd)可以更加准确地描述心率周期中加速、减速模式的分布状态，对自主神经系统和心血管系统的复杂调控过程进行更加精准地评估。

本研究结果显示，运动恢复期，LF显著上升(P<0.05)，HF、VLF、SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd显著减小(P<0.01)；运动恢复期HRV频域指标与HRA非线性指标之间的相关性显著增大(P<0.05)。实验数据显示，运动后心动周期中加速、减速模式均减弱，且运动后变率从加速模式转移到减速模式，减速模式作用一定程度上高于加速模式，这是由于运动恢复期迷走神经重新激活，减速模式发挥主要作用，促使心率下降，与交感神经交互作用，调节心血管系统的功能。一般减速模式在长期HRV中占主导作用，加速模式在短期HRV中贡献更多。因此，对HRA的有效分析能够补充HRV对自主神经系统的评估，且特定状态下，HRA参数的改变可以反映自主神经的特殊调控反应，这些现象说明HRA非线性参数在评估运动后的自主神经系统调控机制上有很好的作用。

本研究中，我们还考察了心率和血压等指标。运动使交感神经活动加强，会激活加速模式，使得心跳加快，血压增高，实验数据得出，运动后HRV频域指标VLF显著减小和LF显著增大，这主要是运动引起交感神经兴奋。副交感神经节前纤维又称为迷走神经，在运动后恢复期兴奋，减速模式发挥主导作用，引起心输出量减少，心率下降，其兴奋性反弹甚至会出现超过运动前水平的现象，被称为迷走神经重激活，可能与运动引起的人体能量代谢、内分泌系统变化以及血液动力学变化机制有关[17-19]。这种加速模式和减速模式的交替作用，保证心率血压在运动后较为平稳地恢复至基线水平的现象说明，可能存在某种代偿机制使得心血管系统在自主神经系统的调节下，能够维持正常运作功能。研究表明HRV保持较高的水平是心率保持平稳的重要表现，通常，疾病会导致HRV水平下降，意味着自主恢复心率至正常水平的能力减弱。运动后心率慢慢恢复至基线水平被认为是副交感神经重新激活以及交感神经作用逐渐减弱的复合过程[20]。研究表明，运动后迷走神经机能改变能直接反映运动员身体机能恢复情况和训练积极性[21]。虽然实验中我们发现运动后心率、血压基本逐渐恢复至基线水平，但这并不能直接说明自主神经系统也已经同步恢复为静息状态时的正常水平，具体恢复时间需要采集更长地时间序列进行分析。

HRA的非线性指标是基于Poincaré图来计算的。Poincaré图是一种提供长期或短期HRV信息的定量可视化工具，常规指标SD1和SD2分别是横跨和沿庞加莱图的标识线所有散布点的标准偏差，本质上和时域指标没有区别。目前使用的HRV分析方法只考虑了心率周期变化的大小，没有考虑变化的方向[22]。实际上自主神经系统调控过程复杂，不能简单的看作是线性平稳过程，而HRA现象表明生理信号中存在着具有反映方向变化的非线性动力学机制。本研究引入适当的非线性参数(SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd)用于对自主神经系统和心血管系统的复杂调控过程进行解释。结果显示，SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd在运动后都显著降低，且与传统的时域指标具有显著的相关性，因此，频域分析的生理学解释可以应用于非线性参数生理学解释上，利用HRA非线性指标能够更为精准地分析非线性非平稳的自主神经系统与心血管系统之间的调节机制。

后续将进一步研究不同性别、年龄及身体素质人群的运动恢复期的自主神经系统调控机制，探索HRA相关非线性参数作为评价指标的有效性。

6 结论

本研究对运动前后心率、血压、频域指标(VLF、LF及HF)及非线性参数(SD1a、SD1d、SD2a、SD2d、SDNNa及SDNNd)进行了测量，计算了HRA非线性指标与传统的HRV频域指标之间的相关性。研究表明仅用简单的HRV频域、时域分析方法还不能全面细致地评价非平稳、非线性的自主神经系统调控过程，HRA非线性参数对心动周期中加速、减速模式进行了具体的描述，通过这些参数可以直观地看到自主神经在运动调控过程中加速、减速两种模式的转变，能够结合HRV指标进一步对自主神经系统和心血管系统交互作用进行解释。