賀業(yè)恒

心率變異性測試技術(shù)在運動科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用新進展

賀業(yè)恒1，2

（1.大連市體育科學(xué)研究所；2.大連市體育事業(yè)發(fā)展中心，遼寧 大連 116031）

在運動科學(xué)領(lǐng)域，自主神經(jīng)功能測試主要通過心率變異性（HRV）測試來實現(xiàn)。但是心率變異性測量沒有“金標(biāo)準”，測試設(shè)備、測試方法及數(shù)據(jù)處理方法的不同均會導(dǎo)致研究結(jié)論差異較大。文章對HRV測試技術(shù)及應(yīng)用進展進行綜述，總結(jié)國內(nèi)外HRV測試、分析的新方法，以期更好推動HRV指標(biāo)在運動科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

心率變異性；測試技術(shù)；運動科學(xué)；進展

自主神經(jīng)系統(tǒng)參與內(nèi)分泌調(diào)節(jié)和物質(zhì)能量代謝過程，是機體承受訓(xùn)練負荷的基礎(chǔ)，也是運動性疲勞恢復(fù)的關(guān)鍵。在運動科學(xué)領(lǐng)域，自主神經(jīng)功能測試主要通過心率變異性（HRV）測試來實現(xiàn)。近年來心率變異性測量已經(jīng)越來越多被應(yīng)用在運動實踐中，但是心率變異性測量沒有“金標(biāo)準”，測量設(shè)備、測量環(huán)境、測試體位、測試時長、測量頻率、測試數(shù)據(jù)的處理、HRV各指標(biāo)及衍生指標(biāo)的選取均有所不同，導(dǎo)致研究結(jié)論不同，本文總結(jié)心率變異性測試技術(shù)在運動科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用進展，以期更好推動心率變異性指標(biāo)的應(yīng)用，為科學(xué)化訓(xùn)練提供依據(jù)。

1 心率變異性（HRV）相關(guān)概念

心臟自主神經(jīng)的功能是心臟交感神經(jīng)和心臟副交感神經(jīng)協(xié)同作用的結(jié)果，其神經(jīng)活性和平衡性可通過心率變異性分析來觀察[1]。HRV分析將R-R間期量化，以此反映心臟自主神經(jīng)功能和定量評估心臟交感神經(jīng)及心臟迷走神經(jīng)興奮性及其平衡性[2]。HRV的具體表現(xiàn)是每個心動周期長短的不規(guī)則變化，這種變化即使是在心率相對穩(wěn)定的狀態(tài)下也同樣存在[3]。

2 HRV的分析方法及各指標(biāo)意義

HRV的分析方法可分為兩大類：線性分析法和非線性分析法。線性分析法又可分為時域分析法和頻域分析法；非線性分析法主要有散點圖分析法、近似熵分析法、李雅普諾夫指數(shù)法等。

2.1 時域分析法及指標(biāo)意義

時域分析法(time-domain analysis method)是對逐個心搏R-R間期按所采集的時間順序進行排列，直接進行統(tǒng)計分析的方法。HRV時域指標(biāo)的意義詳見表1。

表1 HRV分析常用的時域指標(biāo)及意義

指標(biāo)單位測定方法生理意義反映內(nèi)容 SDNNms竇性心搏RR間期平均值的標(biāo)準差HRV的總和心率變異總的變化 SDANNms每5min RR間期平均值的標(biāo)準差去除了HR中快速變化部分，反映HRV中緩慢變化的成分副交感神經(jīng)活性 RMSSDms相鄰RR間期差值的均方根相鄰心動周期的變異，反映HRV快速變化成分副交感神經(jīng)活性 PNN50%相鄰RR間期差大于50ms的次數(shù)占總次數(shù)的百分比描述心動周期的逐次心搏變異，是HRV的快速變化成分副交感神經(jīng)活性

2.2 頻域分析法及指標(biāo)意義

頻域分析法（Frequency domain analysis methods）的分析過程是把心率信號分解成不同振幅、不同頻率的正弦波之和。采用頻域分析法可以定量的衡量交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的變化情況[1，4]。頻域分析法各指標(biāo)的意義詳見表2[5]。

表2 HRV分析常用的頻域指標(biāo)及意義

指標(biāo)頻率（Hz）生理意義 總功率（TP）≤0.40反映測試時間內(nèi)的HRV總和 高頻功率（HF）0.15-0.40反映心迷走神經(jīng)調(diào)節(jié)功能，與RMSSD及PNN50有關(guān)，與呼吸性心率不齊有關(guān) 低頻功率（LF）0.04-0.15與壓力感受器反射系統(tǒng)的活動有關(guān)，反映交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)的復(fù)合調(diào)節(jié)功能，某些情況可反映交感神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能 極低頻功率（VLF）0.0033-0.04尚不夠明確，與外周血管舒縮及腎素-血管緊張素系統(tǒng)活動有關(guān)，或者與心交感神經(jīng)調(diào)節(jié)功能有關(guān) 超低頻功率（ULF）≤0.0033反映人的晝夜周期節(jié)律和神經(jīng)內(nèi)分泌節(jié)律的影響，與SDNN/SDANN指數(shù)相關(guān) LF/HF 反映心臟交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)均衡性，與交感神經(jīng)活性正相關(guān) LF nu LF/（TP-VLF）x100 HF nu HF/（TP-VLF）x 100

2.3 非線性分析法

非線性分析法的理論基礎(chǔ)是混沌學(xué)說理論和分形代數(shù)理論，目前的非線性分析法有建模法、散點圖分析法等多種。

3 HRV測試設(shè)備的改進

隨著當(dāng)代科技的發(fā)展，近年來HRV測試工具也有所改進，以往HRV分析的R-R間期數(shù)據(jù)主要來源于24小時動態(tài)心電圖（Holter）或心電圖（ECG），應(yīng)用此設(shè)備測得的數(shù)據(jù)準確，但對測試設(shè)備要求較高，并且相對繁瑣，甚至需要專業(yè)人員操作。近年來隨著對短時心電測量的需要，出現(xiàn)了一些方便測量R-R間期的工具，例如Omega Wave系統(tǒng)、polar心率表、ithleteTM設(shè)備等，均可有效記錄R-R間期，部分設(shè)備甚至可以直接對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，減少了數(shù)據(jù)分析過程，有利于直觀評價受試者當(dāng)前身體機能狀態(tài)。部分設(shè)備已被應(yīng)用到耐力項目的訓(xùn)練中，甚至可作為足球等團隊運動項目的監(jiān)測工具。如Flatt AA等[6]研究表明ECG和ithleteTM軟件所測得RMSSD具有高度一致性，ithleteTM軟件有利于運動員在晨起自行測量，減少了測試帶來的不便，降低了赴實驗室進行測試的體力活動對HRV的影響，也有助于節(jié)省測試時間。還有研究采用了其它方式獲得HRV指標(biāo)，如Peng RC等人[7]通過智能手機及軟件photo plethysmo grams（PPG）獲得HRV指標(biāo)，16個心率變異性參數(shù)均可從PPG智能手機獲得。統(tǒng)計結(jié)果表明，PPG獲得的14個參數(shù)均與ECG獲得的數(shù)據(jù)高度相關(guān)（r＞0.7，p＜0.001），其余指標(biāo)也在可以接受的范圍。Kamran H等[8]用電子聽診器測定HRV，通過電子聽診器進行數(shù)字化處理心臟的聲音，同時記錄2min單導(dǎo)聯(lián)心電圖。發(fā)現(xiàn)通過兩者獲取的HRV大多數(shù)的指標(biāo)呈顯著相關(guān)，其余指標(biāo)均呈中度相關(guān)，提示電子聽診器有希望作為一種方便測定HRV的工具，在體育科學(xué)領(lǐng)域HRV測試工具的研發(fā)為HRV的廣泛應(yīng)用提供了便利。

4 HRV測試方法的改進

4.1 測試時機的選擇

由于HRV指標(biāo)會受到測試環(huán)境因素影響，如測試時候的噪音、光線、溫度、濕度等，因此控制測試時的環(huán)境干擾因素十分必要。理論上夜晚睡眠期是HRV測試的最佳時機，因為人體處于睡眠狀態(tài)可以避免光線、噪音的干擾，尤其是當(dāng)受試者處于慢波睡眠階段進行測試更好，因為慢波睡眠是人體的深睡眠狀態(tài)，此時心率主要受心臟迷走神經(jīng)控制，呼吸頻率相對平穩(wěn)，人體處于穩(wěn)定狀態(tài)[9]。有研究對成年男性進行研究，發(fā)現(xiàn)雖然受試者承受的訓(xùn)練負荷不同，但受試者夜間HRV無顯著性差異，也有研究認為在運動員睡眠狀態(tài)進行HRV測試可以有效評價運動員的睡眠質(zhì)量[10]，但是這樣的應(yīng)用并不多，這主要是由于測試設(shè)備會影響運動員睡眠質(zhì)量，實用性較差。當(dāng)前測試HRV較理想的測試時間點是每日晨起，類似晨脈的測量方法。測量姿勢仰臥位、坐姿和站立位均可采用，仰臥位測量有助于減少肌肉運動對心臟自主神經(jīng)功能的影響，但是清晨仰臥位測量，運動員容易再次入睡。坐姿進行測試可以照顧到受試者測試時候的舒適度，也可以有效避免運動員入睡，對高水平的運動員尤其建議采用坐姿測量，因為坐姿測量可有效避免副交感神經(jīng)受體飽和對HRV的影響[11]。坐姿測量一般選取有靠背的椅子，這樣可以減少腰腹肌肉的緊張，降低對HRV的干擾。近年來也有研究采用站立位測試，甚至可以采用慢走的姿勢測試。以往的研究中，為了避免干擾，測試常常采用仰臥位或坐姿進行測量，但在運動實踐中因為運動員在運動前和運動后多處于熱身或放松活動期間，運動狀態(tài)為走步或慢跑。Boullosa DA等[12]研究慢走情況下進行HRV測試的可行性，因為運動后運動員往往采用慢跑或走路的方式進行積極性恢復(fù)，研究表明，在極量強度運動后采用慢走（4 km/h）的模式進行HRV指標(biāo)測量是可行的，慢走狀態(tài)下的HRV測試對于運動訓(xùn)練實踐有較強的應(yīng)用價值。Barak OF等[13]觀察一次亞極量運動后受試者不同體位時HRV的差異，研究采用坐姿、平躺、平躺舉腿三種姿勢進行HRV測量，發(fā)現(xiàn)坐姿測得HRV低于平躺姿勢及平躺舉腿姿勢。

晨起進行HRV測量具有以下優(yōu)勢：第一，每日晨起測量可以大致統(tǒng)一測試時間點，有效降低生物節(jié)律對HRV的影響，也可以降低頻繁更換環(huán)境造成的生理、心理干擾；第二，晨起測量是在上一次運動后10-12小時以后，可以降低上一次運動負荷對心臟自主神經(jīng)的急性影響，并且晨起測量是在當(dāng)日運動訓(xùn)練之前，有利于結(jié)合測試的結(jié)果適當(dāng)安排當(dāng)日的訓(xùn)練；第三，對于中老年人群，早晨往往是心腦血管疾病的高發(fā)時期，通過HRV測試可以及早發(fā)現(xiàn)部分疾病的發(fā)病情況，降低運動風(fēng)險[14]。

4.2 異常心率數(shù)據(jù)的處理

進行HRV分析之前，需要人工對R-R間期進行篩查，剔除、修正異常搏動，如心臟逸博、早搏或因測試工具接觸不良造成的漏測等。有研究表明，連續(xù)5 min的心電測試結(jié)果會因為一次異常搏動的影響而使HRV部分指標(biāo)升高50%，這對于HRV各指標(biāo)的影響是巨大的，干擾研究的結(jié)果[14]，如圖1和表3所示。

圖1 心率變異性分析中異常心率的修正

表3 異常心率修正前和修正后對HRV各指標(biāo)的影響

指標(biāo)修正前修正后Δ（%） SDNN877122.5 RMSSD1208934.8 SD1856334.9 SD2907913.9 LF11781464-19.5 HF3512233450.5 LF/HF0.510.63-19.0

4.3 ln RMSSD指標(biāo)的應(yīng)用

時域分析法和頻域分析法均是常用的HRV分析方法，這兩種分析方法各具特點，雖然時域分析法并不能有效反映心臟交感神經(jīng)功能，但目前仍然有越來越多的研究人員傾向于選擇時域分析法，尤其是RMSSD指標(biāo)，因為RMSSD指標(biāo)反映的是心副交感神經(jīng)功能，并且時域分析法可在較短的測試時間內(nèi)（10秒-60秒）提取到數(shù)據(jù)。需要注意的是，部分HRV指標(biāo)呈偏態(tài)分布，對數(shù)據(jù)進行自然對數(shù)轉(zhuǎn)換（ln轉(zhuǎn)換）可使數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布。近年來ln RMSSD指標(biāo)的應(yīng)用越來越多，首先，ln RMSSD不受呼吸頻率的影響，這完全不同于頻域指標(biāo)，因而有助于在非臥位，甚至非完全靜止?fàn)顟B(tài)下進行測試[15]；其次，ln RMSSD反映的是心臟副交感神的功能，這對于健康和運動均有重要意義；另外，ln RMSSD指標(biāo)在獲得RMSSD指標(biāo)后，通過excel計算即可獲得，不需要額外的設(shè)備或軟件。Pereira LA等[16]研究運動后1 min的ln RMSSD值與運動后5 min的測試結(jié)果的差異，認為差異是在可接受范圍之內(nèi)的，這就為短時程進行HRV測試提供了依據(jù)，不需要完全穩(wěn)態(tài)以及縮短的測試時間更容易為教練和運動員所接受。在團隊性運動項目中可同時對多人進行測試，使HRV的測試更方便、實用。為了減少乙酰膽堿受體飽和現(xiàn)象對HRV的影響，也有研究嘗試采用ln RMSSD/RR比值來反映心迷走神經(jīng)的調(diào)節(jié)功能，但乙酰膽堿受體飽和的現(xiàn)象研究往往發(fā)生在高水平的運動員當(dāng)中，在中等以下運動水平及大眾健身人群中比較少見。

4.4 重復(fù)測量方法的應(yīng)用

早期關(guān)于HRV的研究多采用連續(xù)記錄6 min心電圖，然后從中截取5 min平穩(wěn)狀態(tài)的數(shù)據(jù)進行分析。近年的研究越來越趨向于采取重復(fù)測量的方法，認為用偶爾一次的測試結(jié)果去評價心臟自主神經(jīng)功能仍有較大爭議，一次測量的結(jié)果可能會受到多種因素的干擾，如運動員情緒的影響，也會受到測試環(huán)境的影響，這也是目前很多關(guān)于HRV的研究結(jié)論并不一致的原因。Plews D J等[17]提出每周7天晨起循環(huán)測量的方法，認為此方法比單日測量更可靠，重復(fù)測量的時間可由5 min縮短到1 min，甚至45s。也有學(xué)者就測量的頻率問題進行了研究，Buchheit M[18]嘗試采用每3-4周進行一次HRV測量的方法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)運動表現(xiàn)良好階段的HRV與表現(xiàn)不良階段HRV只具有細微的差異，認為此測量頻率局限性較大，需要更加頻繁的測量才能更好反應(yīng)運動員的自主神經(jīng)功能狀態(tài)。Flatt AA等[19]的研究表明，應(yīng)用ln RMSSD平均值反映訓(xùn)練負荷，每周至少需要測試5次才能更好反映一周真實平均值。基于以上研究，認為每日重復(fù)測量HRV似乎更全面、更準確，一些干擾因素的影響可以通過重復(fù)測量來降低，目前普遍認為每周測試次數(shù)應(yīng)不少于3-4次。

5 結(jié)語

通過HRV測試可有效反映自主神經(jīng)功能狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)運動員的疲勞狀況，以HRV診斷運動員的狀態(tài)，可以根據(jù)運動員的狀態(tài)積極尋找對策，有助于科學(xué)安排訓(xùn)練負荷，客觀掌握運動員的心理波動，這均有利于運動表現(xiàn)的提高。

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New Progress in the Application of Heart Rate Variability Testing Technology in the Field of Sports Science

HE Yeheng

(Dalian Institute of Sports Science, Dalian 116031, Liaoning, China)

賀業(yè)恒（1980—），博士，副研究員，研究方向：運動員機能監(jiān)控與運動營養(yǎng)。