HRV的生理基础


自主神经系统不但在生理过程中发挥重要作用,在各种病理状态下也一样,如糖尿病性神经病变、心肌梗塞(MI)、充血性心力衰竭(CHF)等。与交感活性增强和迷走张力降低相关的自主神经功能失衡与心律失常和心源性猝死的病理生理过程密切相关。

在各种可行的评估自主神经状态的无创技术中,HRV是一种简单的、非侵袭性的评估窦房结水平交感-迷走平衡的方法。它已被广泛应用于各种临床处境中,包括糖尿病性神经病变、MI、猝死和CHF。

HRV分析的标准测量由时域指数、几何方法和频域成份组成。应用长时或短时记录依赖于研究的类型。

过去几十年间发表的大量研究提供的临床数据认为总体心率变异性的降低对任何原因所致的(特别是MI和CHF后的高危患者)心脏性或心律失常死亡率的增加具有高度的预测价值。

本文回顾了HRV作为反映窦房结自主神经系统中交感和迷走部分活动标志和筛查、辨别处于心脏死亡风险病人的临床工具,其应用的机制和参数。

过去二十年间,大量的动物和人体研究表明ANS与心血管疾病死亡率,尤其患MI和CHF的病人具有显著关联性。ANS(自主神经系统)的紊乱和失衡包括或是交感活性增加或是迷走活动降低,会导致室性心动过速和心源性猝死,而这两种疾病是现在心脏疾病死亡的主要原因。目前有各种可行的评估ANS状态的方法,包括心血管反射检测、生化和闪烁成像测试。对细胞水平受体或神经通路的直接评估并非常规办法。近些年来,在心电图(ECG)基础上的非侵袭性技术已被用于心脏自主神经调节的标志,这其中包括HRV、应激反射敏感性(BRS)、QT间期和心率震荡(HRT)―一种基于单个室性期前收缩后窦性心率周期波动的方法。这些方法中,心率变异性分析是简单、非侵袭性的评价窦房结水平交感-迷走平衡的方法。

自主神经功能与心脏

虽然心脏自律性源于具有起搏能力的各种心脏组织,而其电活动和收缩活动主要有ANS(自主神经系统)调控。这种神经调节通过交感和迷走输出的相互影响发挥作用。大多数生理条件下,交感神经和副交感神经传出的作用是相对的,交感神经增强自律性,而副交感神经抑制自律性。交感神经通过增加起搏点去极化程度产生变时性作用,而对心脏起搏点细胞的迷走刺激会引起超极化而降低去极化程度。自主神经的这两个分支均影响与心脏起搏细胞去极化相关的离子通道的活动。

在糖尿病性神经病变和冠心病,特别是有MI背景,等各种情况下均已证实了ANS的异常。心血管系统的交感活性增强和副交感张力降低有关的自主神经功能失调在冠脉疾病和危及生命的室性心律失常的发生中发挥重要作用。心肌缺血和/或坏死的发生引发与心脏坏死和非收缩断的几何改变相关的ANS输出和输入纤维的机械损害。一个新近被认识的现象是心肌缺血和/或坏死部位心肌细胞的神经退化和生长引起的电重塑。总之,对于冠脉疾病和有MI病史的患者,与交感活性增强和迷走张力降低相关的心脏自主神经功能由于其对心脏自主神经活动、传导和重要的血流动力学变化的调控对致命性心律失常这一复杂现象是有利的。

心率变异性的定义和机制

心率变异性是一种反映窦房结水平自主神经的交感和迷走成分活动的非侵袭性心电图记。它可以展示瞬时心率和RR间期(正常去极化的QRS波群间期)的总体变化。因此,心率变异性也可分析基线自主神经功能的紧张性。拥有完整的ANS的正常心脏应该具有反映交感迷走平衡状态的窦房回路的连续的生理改变和正常的HRV。在由于心肌坏死而受损的心脏,ANS输入和输出纤维活动以及局部神经调节的改变会促成植物神经系统的失衡,反映在HRV的降低上。

HRV的测量

HRV分析包含对一系列连续的反映自主神经张力的窦源性RR间期变化的测量。各种各样的生理因素都可能影响HRV,如性别、年龄、昼夜节律、呼吸和体位。HRV的测量是非侵袭性的和高度可重现的。大多数Holter仪生产厂家都会推荐HRV分析程序,这一程序集合在他们仪器的系统中。尽管磁带录音的计算机分析已经提高了,在大多数HRV参数的测量中都需要人工介入以便检测出错误搏动、假象以及对时间间隔有影响的磁带速度调整。

1996年,欧洲心脏病学会(ESC)特别小组和美国心脏起搏和电生理学会(NASPE)定义和确立了HRV的测量标准、生理学解释和临床应用。时域指数、几何测量和频域指数现已成为临床上使用的标准参数。

时域分析



时域分析测量的是随着时间心率的改变或连续正常心动周期间隔的变化。在连续的心电图记录下,QRS波群逐一被检测,源于窦房结去极化的正常RR间期(NN间期)和瞬时心率也就被确定了。得出的时域变量可能是单一的,如平均RR间期、平均心率、最长和最短RR间期的差异或昼夜心率的差异,更复杂的就是基于统计学测量。这些统计学上的时域指数分为两类,包括逐次心搏间期或直接由间期本身或瞬时心率得出的变量,以及相邻NN间期差值。下表概括了最常用的时域参数。第一类的参数是SDNN、SDANN和SD,第二类是RMSSD和pNN50。

SDNN是心率变异性的总体指标,反映记录期间所有长程因素和昼夜节律的影响。SDANN是平均每5分钟心率变异性的指标。因此它提供了长程的信息。它是体力活动、体位改变、昼夜节律等低频分析的敏感指标。SD普遍用于反映HRV的昼夜变化。RMSSD和pNN50基于间期差值的最常用参数。这些测量对应短期HRV改变,不依赖于昼夜变化。它们反映的是自主神经张力的变化(大部分由迷走神经介导)。与pNN50相比,RMSS更稳定,临床上应该优先使用。

变量

单位  

描述

SDNN

ms

所有窦性NN间期的标准差

SDANN

ms

全过程中每5分钟NN间期均值的标准差

SD (或 SDSD)  

ms

相邻NN间期差值(长度差异)的标准差

RMSSD

ms

相邻NN间期差值的平方和均值的均方根

pnn50

%

50毫秒间隔以上相邻NN间期差值的比例



几何学方法

几何学方法是通过NN间期序列的转化而成。有几种不同的评估HRV的几何学形式:直方图、HRV三角形指数(对NN间期直方图的三角形插补)以及Lorentz 或 Poincaré散点图。直方图评估的是检测出的RR间期总数与RR间期变量的关系。HRV三角形指数以直方图的峰值作为一角,底宽是RR间期变异性的总数,高度与最高频率RR间期持续时间有关,面积代表全部RR间期的总数。HRV的三角形指数是对总体HRV的估计。

几何学方法受记录数据准确性的影响较小,或许可以代替不易得到的统计参数。当然,记录持续时间不应少于20分钟,这就意味着短程记录不能应用几何学方法评估。

对于各种时域和可行的几何学方法,欧洲心脏病学会(ESC)特别小组和美国心脏起搏和电生理学会(NASPE)推荐了四种HRV评估指标,即SDNN, SDANN, RMSSD和HRV三角形指数。

频域分析



频域(功率谱密度)分析描述的是心率信号频率和振幅的周期振荡。提供心脏窦性节律相对强度(变异性或功率)的信息。类似的,光谱分析可比喻为白光透过棱镜会分解成不同颜色和波长的光。功率光谱分析通过两种途径完成:1)非参数方法:以若干频率组份的不连续峰值为特征的快速傅立叶转换(FFT);2)参数方法:通过自回归模型评估得到某一活动的连续固有平滑谱。FFT简单快速,而参数方法更复杂且需要验证所选模型的合理性。

应用FFT时,电脑中储存的单个RR间期被转换成不同光谱频率的频带,过程就像将交响乐团的音乐分解成一个个单音一样。结果以平均RR间期长度划分成不同的赫兹Hz。

功率谱包括0-0.5Hz的频段,分成以下四种:超低频段(ULF),极低频段(VLF),低频段(LF)和高频段(HF)。

变量

单位

描述

频率范围

总功率

ms2

所有NN间期的方差

<0.4 Hz

ULF

ms2

超低频

<0.003 Hz

VLF

ms2

极低频

<0.003–0.04 Hz

LF

ms2

低频功率

0.04–0.15 Hz

HF

ms2

高频功率

0.15–0.4 Hz

LF/HF

比率

低高频比





短程频谱记录(5-10分钟)由VLF、HF和LF组成,长程记录还包括ULF成分。上表所列是最常用的频域参数。频谱分量以频率(Hz)和振幅来评估,振幅是由以每一组份的面积(或功率谱密度)来评估。绝对值以ms2表示。由于分布的不对称,可能会用到功率值的自然对数。LF和HF可以用其绝对值(ms2)或标准值(nu)表示。LF和HF的标准化通过在总功率中减去VLF成分来完成。它一方面有利于减少假象所致杂音的影响,另一方面可使总功率改变对LF和HF成分的影响降到最低。这可用于评估不同干预措施对同一目标的影响(分级倾斜)或将目标与总功率的主要不同作对比时。标准化单位通过以下方法得出:

LF或HF标准值=(LF或HF(ms2))*100/(总功率(ms2)-VLF(ms2))

RR间期变异性的总功率就是总体方差,与LF、HF、UHF和VLF四种频带的总和一致。HF组份一般定义为迷走神经调节的标志物。这一组份是呼吸介导的,因此取决于呼吸频率。LF组份由交感和副交感神经共同调控。也因此对其解释的争论更多。有些科学家将LF组份(特别是标准化后)作为交感神经调控的衡量,另外一些则将其作为交感和副交感神经调控的共同解释。其共同观点是它反映的是两种自主神经输入的混合状态。临床实践中,LF组份的增加(倾斜、心理生理应激、拟交感药物作用)已被看作交感活动的结果。相反,b肾上腺素阻滞引起LF的降低。然而在一些交感神经系统过度兴奋的情况下,如晚期心力衰竭的病人,发现LF急剧降低,反映了窦房结对交感神经输入的反应性降低。

LF/HF比率反映总体的交感-迷走平衡,可以作为这一平衡的测量。其在成人休息状态下的平均值介于1和2之间。

ULF和VLF是伴有很低振荡的频谱成份。ULF可能反映了生理节律和神经内分泌节律,而VLF反映的是长期的节律。已发现VLF是体力活动的主要决定因子,建议作为交感活动的标志物。

时域指数与频域指数的关系以及正常参考值

时域与频域参数之间具有确定的联系:pNN50和RMSSD与其自身和HF功率相关(r=0.96),SDNN和SDANN指数与总功率和ULF组份显著相关。正常参考值和MI病人的参考值可以作为心率变异性的标准测量。

标准心率变异性测量的局限性

由于HRV由RR间期的变异而来,其测量限于窦性心率以及存在少量异位搏动的病人。从这方面来说,大概有20%-30%的MI后的高危病人由于频繁的异位搏动和房性心率失常(尤其房颤)而无法应用任何心率变异性分析。后者见于15%-20%的CHF病人。

HRV测量的非线性方法(分形分析)



非线性方法基于混沌学说和分形几何。混沌学说是指多变量、非线性和非周期系统的研究。混沌学说通过一种不同的方式来描述自然系统,因为它能解释自然界的非随机性和非周期性。考虑到健康的心博具有轻微的无规律和某种程度的混乱,混沌理论也许有助于更好得理解心博的动力学。不久的将来,非线性分形方法可能提供一种新的关于生理状态和高危情形下(尤其在MI后病人和有猝死背景)的心博动力学的认识。

近来的资料显示,分形分析似乎能比标准HRV测量更有效地检出异常RR波动。