吳　健　徐　飛　阮　哲　肖守中

摘要：目的：為了更全面的研究和評估心肌的變時、變力和變傳導性。方法：隨機抽取男性體育系學生(實驗組，n=40)和普通大學生(對照組，n=30)完成規(guī)定運動量的臺階運動；記錄運動后即刻5 min連續(xù)變化的心音振動信號。對采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過三次樣條插值、均勻采樣和小波變換濾波后得到平滑的心率和心力恢復趨勢曲線，在此基礎(chǔ)上提取出反映心率和心力恢復趨勢的相關(guān)指標。結(jié)果：安靜狀態(tài)時與運動后實驗組與對照組的恢復期的最大心率、心率恢復時間、心率恢復速率無顯著性差異(p>0.05)，而運動后實驗組與對照組之間心力恢復時間、心力恢復速率和心肌收縮能力儲備指數(shù)都有顯著的差異(p<0.001)。結(jié)論：大負荷運動量下動用的心力儲備主要來自于心肌收縮力的儲備而不是心率儲備，而且運動員比普通人還具有更快的心肌收縮恢復能力，即具有更快的心力恢復速度。

關(guān)鍵詞：心率恢復趨勢；心力恢復趨勢；心肌收縮力；心臟儲備；無創(chuàng)方法

中圖分類號：G804.2文獻標識碼：A文章編號：1007-3612(2008)06-0782-03

心肌具有變力性、變時性和變傳導性，心率測試方便于評估心肌的變時性，但運動不僅改變心臟的變時性，更多的是影響心臟的變力性［1］；所以研究人員提出心力儲備可作為評估心臟功能的重要指標，能反映心輸出量隨機體代謝的需要而增加的能力，其取決于心率儲備和心肌收縮力儲備［2］。但由于受測試技術(shù)和測試成本的限制，目前在運動醫(yī)學領(lǐng)域?qū)π牧涞娜粘y試仍側(cè)重于心率儲備［3］。Nigan(2005)關(guān)于心音和心肌收縮能力關(guān)系的有創(chuàng)和無創(chuàng)臨床對照研究表明，第一心音(S1)幅值的大小與心肌收縮能力密切相關(guān)［3］，眾多實驗結(jié)果也證實第一心音幅值的變化能有效評估心肌收縮力儲備［3-5］。因為運動能同時改變心肌的變力性和變時性，若能在運動員常規(guī)心功能測試和運動現(xiàn)場監(jiān)測中加上心肌收縮能力的檢測，將更有利于全面評估運動員的心臟功能。為更全面的研究和評價心肌的變時性和變力性，本實驗對比了不同人群在定量負荷運動后心率和心力儲備的變化情況，以期為應(yīng)用心音圖相關(guān)指標評價大眾健身、監(jiān)控運動訓練、評價運動康復情況提供參考。

1研究對象與方法

1.1研究對象┰謚駒剛咧興婊抽取40名體育學生作為實驗組和30名普通大學生(皆為男性，年齡：17～25歲)作為對照組。實驗組40名受試者包括3級運動員15名(皆為田徑運動員)，2級運動員25名(5名體操運動員，20名田徑運動員)，實驗人員核查了對照組的運動能力，確保其無專業(yè)訓練經(jīng)歷。測試在重慶師范大學體育學院和西南大學體育學院運動現(xiàn)場進行，測試時間統(tǒng)一安排在下午2：30-5:30。

1.2實驗儀器及測試方法

1.2.1實驗設(shè)備利用自行研制的心音信號遙測系統(tǒng)［６］，該系統(tǒng)的硬件組成包括射頻發(fā)射機(RF TX)、射頻接收機(RF RX)、打印機和IBM T43計算機(運行環(huán)境為WINDOWS XP操作系統(tǒng))。

1.2.2信號采集心音信號量化分析的基本原理：1) 測量心音有關(guān)成分的幅度和時限，包括心動周期；2) 據(jù)測得的心音頻譜圖形轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，通過儀器配套分析軟件分析。測試系統(tǒng)對心音信號用8k Hz采樣，量化精度為8 bit。通過胸電極采集心電信號，用自適應(yīng)閾值檢測電路提取R波同步脈沖標注在一個心動周期內(nèi)的心音信號中S1的起始時刻，S1出現(xiàn)在R波后120 ms時間范圍內(nèi)，其峰值(S1的幅度)即為心力信號。本實驗中采用第一心音幅值(S1)的變化趨勢來量度心肌收縮力和評估心力儲備［4,5,７-9］。由于胸壁厚薄存在個體差異的影響，所采集的心力信號強度的絕對值的價值和準確性都不高，本研究中主要采用相對值指標［7,8］。因心力信號分析過程中經(jīng)多次處理，最后轉(zhuǎn)換為用屏幕坐標作圖，故單位被省略［7,9］。1.2.3運動模型由于運動能同時改變心臟變力性和變時性狀態(tài)，本項實驗采用本實驗室自行開發(fā)并得到國際承認的動態(tài)心音圖運動實驗(PCGET)方法［4,5,10］。受試者在安靜狀態(tài)下平靜呼吸，心音脈搏傳感器置于心前區(qū)心尖搏動最明顯處，記錄心音圖。然后囑受試者完成既定負荷的運動：登臺階是PCGET的運動方式之一，要求受試者90 s內(nèi)在23 cm高的臺階完成運動實驗。完成本實驗運動耗能約為7 000 J(屬于大負荷運動)，按受試者體重計算出登臺階次數(shù)，受試者在規(guī)定時間內(nèi)完成既定運動量時即為運動結(jié)束，運動后即刻連續(xù)記錄恢復期5 min心音信號。

1.3測量數(shù)據(jù)的計算和統(tǒng)計分析為更好地揭示運動后心力與心率恢復趨勢的規(guī)律，本實驗采用了新的數(shù)據(jù)處理算法，對采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過三次樣條插值、均勻采樣和小波變換濾波后得到平滑的心力恢復趨勢曲線和心率恢復趨勢曲線［5,11,12］。在此基礎(chǔ)上提取反映心力恢復趨勢的有關(guān)指標：對心力數(shù)據(jù)系列進行差分運算，即按時間順序計算每兩個相鄰心力數(shù)據(jù)間后一個數(shù)據(jù)與前一個數(shù)據(jù)的差值(DiffC)。因為臺階運動后心肌收縮力會從初始值的高指數(shù)不斷衰減，當DiffC降到最低時，將該最低值記為DiffCmin；然后心肌收縮力恢復到一個相對的穩(wěn)定狀態(tài)。本實驗中將運動后即刻至心肌收縮力恢復至一個相對穩(wěn)定狀態(tài)之間的時限定義為心力恢復時間(Cardiac Contractility Recovery Time, CCRT)；DiffCmin/CCRT定義為心力恢復速率(Cardiac Contractility Recovery Rate, CCRR)。

采用同樣算法也得到心率恢復趨勢的有關(guān)指數(shù)，其中HRRT(Heart Rate Recovery Time)表示心率恢復時間；Diff HRmin/HRRT定義為心率恢復速率(Heart Rate Recovery Rate, HRRR)。同時將心率恢復期的最大心率記為HRmax，恢復到相對穩(wěn)態(tài)時的心率記為HRrec。

數(shù)據(jù)用均數(shù)±標準差(X±SD表示)，心率和心力恢復趨勢有關(guān)指標的組間比較采用獨立樣本t檢驗(independent-samples t-test)。

2結(jié)果與分析

お2.1運動后心率恢復趨勢的變化利用自行研制的心音信號遙測設(shè)備，采集實驗組和對照組受試者經(jīng)既定運動量的臺階運動后5 min內(nèi)連續(xù)變化的心力數(shù)據(jù)和心率數(shù)據(jù)。通過小波變換濾波后得到實驗組和對照組運動后5 min的平滑心率恢復曲線，從心率恢復曲線來看，實驗組和對照組皆呈急性下降趨勢，且在實驗后50 s時有短暫停頓，隨后下降趨勢減緩(圖1)。

實驗組和對照組受試者運動后恢復期的心率恢復趨勢相關(guān)指標見表1。實驗組和對照組的心率在安靜時刻、全運動量下最高心率和運動后相對穩(wěn)定期的心率都皆無顯著性差異(P>0.05)，其心率恢復時間和恢復速率也無顯著性差異(P>0.05)。

2.2運動后心力恢復趨勢的變化通過同樣方法測得受試者運動后恢復期的心力恢復趨勢曲線(圖2)。

實驗組和對照組受試者運動后恢復期的心力恢復趨勢相關(guān)指標變化見表2。實驗組和對照組在全運動量后其心肌收縮力的恢復時間和恢復速率上都有顯著性差異(P<0.01)，表現(xiàn)為實驗組心力恢復時間、心力恢復速率和心肌收縮能力儲備指數(shù)都顯著優(yōu)于對照組的普通大學生受試者。

3討論

お

由表1可知，實驗組和對照組的心率在安靜時刻、全運動量下最高心率和運動后相對穩(wěn)定期的、心率恢復時間和恢復速率心率皆無顯著性差異(P>0.05)。提示不同人群在既定負荷運動時動用的心力儲備主要來自于心肌收縮力的儲備而不是心率儲備。本實驗室前期研究成果表明，體育系學生和普通大學生安靜時CCRI有顯著性差異，而HRRI無顯著性差異［10,8］。也證實了這一點。研究結(jié)果提示在訓練時，應(yīng)更多的關(guān)注受試者心力儲備情況以及探索提高運動員心力儲備而非心率儲備的有效訓練方法。

由圖2和表2可知，實驗組在全運動量后其心力恢復時間、心力恢復速率和心肌收縮能力儲備指數(shù)都顯著優(yōu)于對照組(P<0.01)，說明有訓練經(jīng)歷者比普通人具有更快的心肌收縮恢復能力，即具有更快的心力恢復速率。這為運動訓練、比賽的監(jiān)控和評價提供了新的方法和探索性思路。由于運動現(xiàn)場監(jiān)控生理負荷和恢復情況多采用心率儲備的方法，由于心率在運動訓練多重應(yīng)激情況下易波動，不能真實反映出受試者生理恢復和心臟對負荷的承受能力［9,13］，所以探索有效的評價運動員心功能的方法、開發(fā)出可靠的無創(chuàng)測量設(shè)備就具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。我們的前期實驗發(fā)現(xiàn)國家健將級運動員和一級運動員在全運動量下的心率和心力儲備呈現(xiàn)同樣的趨勢［7,9］。實驗結(jié)果說明，本項研究所采用的測量儀器測量一致性較好，結(jié)果可靠；且實驗結(jié)果能從專業(yè)運動員外推到普通受試者，這為準確、無損傷評價運動員和鍛煉人群的心力收縮儲備提供了可靠方法。

心臟很大程度上受自主神經(jīng)活性調(diào)節(jié)，運動員和鍛煉人群的自主神經(jīng)系統(tǒng)活性和調(diào)節(jié)能力一直備受生理學家關(guān)注。從實驗組和對照組受試者心率和心力恢復趨勢來看(見圖1、圖2)，都表現(xiàn)為三個階段：初始階段是持續(xù)時間較短的快速恢復期，可能由于在大負荷運動剛結(jié)束時自主神經(jīng)系統(tǒng)中副交感神經(jīng)的活動占優(yōu)勢；而隨后進入一個持續(xù)時間較長的慢恢復期，可能是由于副交感神經(jīng)的活性逐漸降低而交感神經(jīng)活性逐漸恢復；最后進入一個輕微波動的相對穩(wěn)態(tài)期，推測此階段是副交感神經(jīng)與交感神經(jīng)活性處于相對平衡狀態(tài)。而心音信號反映的是心動周期中，心肌收縮、瓣膜開閉、血流對心血管壁的沖擊以及血流的渦流等引起的震動的情況［3］。而心力與心率恢復時間之間存在的顯著性差異表明心肌的變力性除了受自主神經(jīng)系統(tǒng)的控制外，還可能與心肌自身作為富有彈性的肌肉組織特性有關(guān)。無論實驗組還是對照組，其CCRI指數(shù)都高出HRRI指數(shù)2倍以上［8］，這同樣說明在大強度、大負荷運動中，心力儲備主要是依靠心肌收縮力的儲備而不是心率儲備。實驗組CCRI CCRR顯著高于對照組(p<0.01)，這意味著長期運動訓練提高心臟功能不僅體現(xiàn)在具有更大的心肌收縮力儲備，而且還具有更快的心肌收縮力的恢復速度［1,12］。

在心室收縮的等容收縮期(isovolumic contraction phase)，心房收縮結(jié)束后，心室開始收縮，室內(nèi)壓迅速升高。當室內(nèi)壓超過房內(nèi)壓時，推動房室瓣關(guān)閉，組織血液返流入心房。房室瓣的關(guān)閉產(chǎn)生第一心音(S1)，其是心室收縮期開始的標志。此時室內(nèi)壓尚低于主動脈壓，半月瓣仍處于關(guān)閉狀態(tài)，心室成為一個封閉的腔。由于血液的不可壓縮性，盡管心室肌強烈收縮，室內(nèi)壓急劇升高，但心室的容積不變［1］。本實驗發(fā)現(xiàn)實驗組大運動量心力相關(guān)指標顯著高于對照組(表2)，結(jié)果提示在對運動員和/或鍛煉人群的心臟功能進行日常測試時，除了心率指標外，還應(yīng)把心肌收縮力儲備以及心肌收縮力恢復速度等指標作為參考，以期作出更為全面準確的評價。但必須注意的是，影響第一心音幅值的因素較多，如傳感器放置位置、檢查者對傳感器的所施壓力的大小，受試者的年齡、胸壁的厚薄、生理和病理狀態(tài)、情緒變化，同一受試者的不同體位、呼吸時相和深度，心率和心律的變化、瓣膜疾病、心臟前后負荷的變化等［1,3,7,8］。所以心音信號的記錄、測量和分析是較為復雜的診斷技術(shù)，在應(yīng)用于運動實踐時必須考慮控制無關(guān)影響因素，最好由專業(yè)人員進行操作，以保證測試結(jié)果的準確性。

4結(jié)論

お

1) 大負荷運動量下動用的心力儲備主要來自于心肌收縮力的儲備而不是心率儲備，而且運動員比普通人還具有更快的心肌收縮恢復能力，即具有更快的心力恢復速度。提示運動訓練時應(yīng)更多關(guān)注受試者心力儲備情況以及探索提高運動員心力儲備而非心率儲備的有效訓練方法。

2) 應(yīng)用無創(chuàng)的心音遙測系統(tǒng)能更全面、準確的評估運動員心肌收縮能力和心力儲備，也能為鍛煉人群提供客觀量化的評價指標，具有可觀的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

參考文獻：

［1］ Talreja DR, Nishimura RA, Oh JK. Estimation of left ventricular filling pressure with exercise by Doppler echocardiography in patients with normal systolic function: a simultaneous echocardiographic-cardiac catheterization study. J Am Soc Echocardiogr，2007,20(5):477-9.

［2］ 姚泰.生理學(8年制及7年制臨床醫(yī)學專業(yè)用書)［M］.北京:人民衛(wèi)生出版社,2005.

［3］ Nigam V, Priemer R. Accessing heart dynamics to estimate durations of heart sounds. Physiol Meas,2005,26(6):1005-18.

［4］ Xiao S, Cai S, Liu G. Studying the significance of cardiac contractility variability. IEEE Eng Med Biol Mag，2000,19(3):102-5.

［5］ Xiao S, Wang Z, Hu D. Studying cardiac contractility change trend to evaluate cardiac reserve. IEEE Eng Med Biol Mag，2002,21(1):74-6.

［6］ 陳歷明, 田學隆,肖守中，等.同時采集多名運動員心力和心率的心音信號遙測系統(tǒng)的研制［J］.中國醫(yī)療器械雜志，2004,28(2):7-10.

［7］ 吳健,王方路,郎勇，等.運動員心率和心臟收縮力同步檢測方法的研究［J］.體育科學，2003,23(1):107-10.

［8］ 吳健, 王方路,肖守中，等.體育系和普通系學生心肌收縮能力變化趨勢的1項對照研究［J］.中國體育科技，2003,39(3):85-6.

［9］ 吳健,王方路,肖守中，等.運動員心功能測評中心率指標和心力指標相結(jié)合的方法研究［J］.中國運動醫(yī)學雜志，2003,22(1):41-4.

［10］ Xiao Y, Xiao S, Cao Z, Zhou S, Pei J. The phonocardiogram exercise test. IEEE Eng Med Biol Mag，1999,18(4):111-5.

［11］ Xiao S, Guo X, Sun X, Xiao Z. A relative value method for measuring and evaluating cardiac reserve. Biomed Eng Online，2002,1:6.

［12］ Xiao S, Guo X, Wang F, et al. Evaluating two new indicators of cardiac reserve.IEEE Eng Med Biol Mag，2003,22(4):147-52.

［13］ Achten J, Jeukendrup AE. Heart rate monitoring: applications and limitations.Sports Med，2003,33(7):517-38.