第九章--心率变异性

心电工作站 2 0 临床应用手册 心率变异性 北京美高仪软件技术有限公司 80 第九章第九章 心率变异性心率变异性 Heart Rate Variability HRV 9 19 1 概述概述 心率变异性 Heart Rate Variability HRV 是指逐次心搏间期之间的微小变异在生 理条件下 HRV 的产生主要是由于心脏窦房结自律活动通过交感和迷走神经 神经中枢 压力反射和呼吸活动等因素的调节作用 使得心脏每搏间期一般存在几十毫秒的差异 在静息状态下 正常人的心电图呈现 RR 间期周期变化 窦性心律不齐是由于呼吸的不 同时相所介导的迷走神经反映性波动所致 导致吸气时心率加快 呼气时心率减慢 许多 其它因素也可以引起心率的变化 例如体位 体温 血循环中的儿茶酚胺 内分泌激素以 及营养 环境 药物 各种疾病等都会影响心率 由于对 HRV 的生理和病理意义进行了广泛和深入的研究 其结果表明心率变异信号中 蕴含着有关心血管调节的重要信息 对 HRV 进行分析可以间接地定量评价心肌交感 迷走 神经紧张性和均衡性 而且还能分析自主神经系统的活动情况 在多种心血管疾病中 患 者的心率变异性都有降低的趋势 心率变异性还可以作为一个独立的心源性猝死危险性的预测指标 心率变异性分析对 多种恶性心律失常的预后判断和药物治疗效果分析有指导作用 总之 HRV 的生理学基础归因于交感 迷走神经系统 其中迷走神经对 HRV 起着主要 的决定作用 所以 迷走神经功能健全时 心率变异程度大 迷走神经功能受损时 心率 变异程度小 9 29 2 心率变异性的分析方法心率变异性的分析方法 HRV 分析的心电信号有长有短 短期的只有 5 分钟 最长 1 小时 长期的可达 24 48 小时 记录可在不同体位 仰卧 倾斜 直立或倒立位 和动作 平静呼吸 深呼吸 Valsava 动作 运动 进行 HRV 分析目前采用的方法有时域分析法 是应用数理统计指标对 HRV 作时域测量 包 括简单法和统计学方法 频域方法或频谱分析方法原理是将随机变化的 RR 间期或瞬时心率 信号分解为多种不同能量的频域成份进行分析 可以同时评估心脏交感和迷走神经活动水 平 以上两种分析方法都属于线性分析方法 而人体内的生物过程都属于非线性过程 为 此 又提出了第三种分析方法 即以非线性 混沌 分析方法来描述心率变异性的特性 9 2 19 2 1 时域分析法时域分析法 利用计算机对 5 分 15 分 30 分或更长时间同步 12 导联心电图记录所取的心电信号 QRS 波进行逐个识别 去除非窦性 QRS 波 将心电信号数字化 取得 一系列有关 R R 间期 的数理统计指标 R RR R 间期直方图和 R RR R 间期差值直方图 R RR R 间期直方图 心电图的 R R 间期在心律失常时有较大差异 即使是窦性心律 也因活动及体液因素 的影响而有一定波动 分析心电图 R R 间期变化可提供许多心理生理的信息 直方图的形 心电工作站 2 0 临床应用手册 心率变异性 北京美高仪软件技术有限公司 81 状可反映 HRV 大小 当 R R 间期直方图高而窄时 HRV 小 R R 间期直方图低而宽时 HRV 大 R R 间期直方图的基本形状分为单峰 闭合双峰和开放双峰三种基本形状 在正常人 尤其是在 HRV 大的人 其 R R 间期直方图低而宽 多呈开放型峰形状 如图 9 1 而严重 的冠心病 尤其是心肌梗死 充血性心力衰竭等导致 HRV 降低时 R R 间期直方图高而窄 多呈单峰形状 图 9 1R R 间期值方面 R RR R 间期差值直方图 R R 间期差值直方图是以相邻的窦性心搏的间期差值基础上统计出来的 R R 间期差值 直方图的横坐标为两个相邻窦性心搏的 R R 间期值 采样间隔为 7 8125ms 后一个周期 比前一个周期长时 差值为正数 反之差值为负数 纵坐标为心搏数 R R 间期直方图代表了心率变化的客观情况 R R 间期差值直方图代表了相邻心搏 R R 间期的差异大小 图 9 2 图 9 2R R 间期差值直方面及相应的平均心率趋势图 时域方法 推荐指标 推荐使用的 HRV 时域检测指标有 4 项 即 SDNN HRV 三角 形指数 HRV Triangular Index SDANN RMSSD SDNN HRV 三角形指数用于评估心 心电工作站 2 0 临床应用手册 心率变异性 北京美高仪软件技术有限公司 82 率总体变化的大小 SDANN 用于评估心率变化中的长期慢变化成分 而 RMSSD 反映心 率快变化成分的大小 上述上述 4 4 个指标的定义为个指标的定义为 SDNN SDNN 标准差 即全部 NN 间期的标准差 单位为 ms HRV HRV 三角形指数 NN 间期的总个数除以 NN 间期直方图的高度 在计算 NN 间期直方 图时 横坐标刻度间隔的标准为 7 8125ms 1 128s 无量纲 SDANN SDANN 将全部记录的 NN 间期 按记录的时间顺序每 5 分钟为一个时间段 连续地 划成若干个时间段 如为 24 小时 共 288 段 先计算每 5 分钟时间段内 NN 间期的平均值 再计算这若干个平均值的标准差 单位为 ms RMSSD RMSSD 全程相邻 NN 间期之差的均方根值 单位为 ms 可以使用的其它时域指标 除了以上四个推荐的时域指标外 在临床研究工作中下列时域指标也可以使用 除了以上四个推荐的时域指标外 在临床研究工作中下列时域指标也可以使用 SDNN SDNN IndexIndex 将全部记录的 NN 间期 按记录的时间顺序 以每 5 分钟为一个时间段 连续地划分成若干个时间段 计算每个时间段内 NN 间期的标准差 再计算这些标准差的平 均值 单位为 ms SDSD SDSD 全程相邻 NN 间期长度之差的标准差 单位为 ms NN50 NN50 在全部的 NN 间期的记录中 有多少对相邻的 NN 间期之差大于 50ms 单位为 心搏个数 pNN50 pNN50 NN50除以总的 NN 间期的个数 以百分比表示 TINN TINN 当使用最小方差的方法 以三角形来近似地描述 NN 间期的直方图时 所得到 的近似三角形的底宽 单位为 ms 9 2 29 2 2 频域分析法频域分析法 心率变异性的频域分析是从另一角度 即频谱分析的角度来分析心率变化的规律 它 与时域分析既有相关性 又能揭示出心率的更复杂的变化规律 频域分析方法是将一段比较平稳的 RR 间期或瞬时心率变异信号 通常大于 256 个心跳 点 进行快速傅立叶变换 FFT 或自回归参数模型法 AR 运算后 得到以频率 Hz 为 横坐标 功率谱密度为纵坐标的功率谱图进行分析 见图 9 3 图 9 3 频谱图 FFT 是经典谱估计方法 算法简单 输入和输出信号能量有线性关系 但对信号要作 周期延拓假定 短数据谱分辨率较低 并有能量泄露现象 AR 属现代估计方法 需求数据 短 分辨率高 谱线光滑 但定阶困难 谱的波谷跟踪能力差 最近更仔细的研究发现 正常人基础状态下心率谱曲线在 0 0 4Hz0 0 4Hz 之间 0 003 0 003 0 04Hz0 04Hz 为极低频段 VLFVLF 0 04 0 15Hz0 04 0 15Hz 为低频段 LFLF 0 15 0 4Hz0 15 0 4Hz 高频段 HFHF 0 0 0 40Hz0 40Hz 为总功率谱 TPTP 心电工作站 2 0 临床应用手册 心率变异性 北京美高仪软件技术有限公司 83 研究证明 VLFVLF 反映心率变化受热调节 体温 血管舒缩张力和肾血管紧张素系统的 影响 LFLF 反映交感和迷走神经的双重调节 HFHF 只反映迷走神经的调节 TPTP 反映 HRV 大小 LF HFLF HF 比值反映自主神经系统的平衡状态 基本上代表交感神经张力的高低 正常人 HRV 随年龄增长而减小 在分析 HRV 时应考虑到年龄因素 此外 HRV 夜间变 异度大于白天 这与夜间迷走神经张力高于白天相一致 因此 为了能反映昼夜间的变化 现已多强调记录 24 小时心率 用以分析 HRV 为宜 白天与夜间平均正常心动周期差 40ms 视为异常 频谱的成分和频段的成分频谱的成分和频段的成分 短程记录 短程记录的记录时间推荐为 5 分钟 短程记录的频谱 被划成三个频段 各频段的划分及由各频段计算的指标定义如下 表 9 1 其中 VLF LF HF 是 PSD 曲线中 落入不同频段的 PSD 成分的积分值 也就是中心频 率落入不同频段的各成分的面积 规一化的低频段功率定义为 LF norm 100 LF 总功率 VLF 规一化的高频段功率定义为 HF norm 100 HF 总功率 VLF 表 9 1短程记录频谱分析频段的划分 指标单位说明频段 5min 总功率 ms ms 5min 内 NN 间期的变化 0 40 VLFms ms 极低频段功率 0 04 LFms ms 低频段功率 0 04 0 15 LF normnu 规一化低频段功率 HFms ms 高频段功率 0 15 0 40 HF normnu 规一化高频段功率 LF HF LF 与 HF 比值 长程记录 长程记录也可以进行 HRV 频域分析 频域被分成 4 个频段 各频段的划 分及指标定义如下 表 9 2 表 9 2长程记录频谱分析频段的划分 指标单位说明频段 总功率 ms ms 全部 NN 间期的变化 0 40 ULFms ms 超低频段功率 0 003 VLFms ms 极低频段功率 0 003 0 04 LFms ms 低频段功率 0 04 0 15 HFms ms 高频段功率 0 15 0 4 心电工作站 2 0 临床应用手册 心率变异性 北京美高仪软件技术有限公司 84 9 2 39 2 3 HRVHRV 指标的正常值指标的正常值 目前国内尚无被普遍认可的正常人群 HRV 时域及频域指标的正常值 由文献 1 所给出的正常值可供参考 表 9 4 表 9 4HRV 指标的正常值 x s 指标单位正常值 24 小时时域分析 SDNNms144 39 SDANNms127 35 RMSSDms24 12 HRV 三角形指数 ms27 15 平静仰卧 5 分钟记录的 频域分析总功率 ms ms3466 1018 LFms ms1170 416 HFms ms975 203 LFnu54 4 HFnu29 3 LF HF1 5 2 0 9 2 49 2 4 心率变异性的非线性 混沌 分析心率变异性的非线性 混沌 分析 近年来 混沌理论 Chaos Theory 已经用于心率变异在时间域领域上的分析 但它 属于非线性的分析方法 1 1 RRRR 间期散点图间期散点图 RR 间期散点图又称洛伦兹散点图 Lorenz Plot 或称宠加来散点图 Poincare Plot 它是反映相邻 RR 间期的变化 不同人的 Poincare 散点图可以呈现多种形式 通常 正常人呈慧星状 Conet Pattern 如图 9 4 A B C D 所示 心衰病人的散点图见图 9 5 心电工作站 2 0 临床应用手册 心率变异性 北京美高仪软件技术有限公司 85 图 9 4正常人的 Poincare 散点图 A 28 岁 SD 148ms B 45 岁 SD 167ms C 28 岁 SD 90ms D 52 岁 SD 104ms 图 9 5心衰病人的 Poincare 散点图 A SD 41ms 鱼雷形 B SD 43ms 鱼雷形 C SD 26ms 扇 形 D SD 59ms 扇 形 E SD 104ms 复杂形 F SD 44ms 复杂形 Poincare 散点图的形状直接反映了瞬时心率变化曲线的特征 以正常的慧星状散点图 为例 散点大都集中在图中 45 度角的直线附近 这说明正常人相邻的窦性心搏的 RR 间期 大致是相等的 而围绕 45 度线散开 说明正常人存在有窦性心律不齐 在心率缓慢时 对 应 RR 间期较长 即散点图的上部 窦性心律不齐增大 而散点图的下端 对应心率快时 散点图比较窄 说明在心率加快时 窦性心律不齐减小 这些结论与临床现象符合 在 Poincare 散点图中 我们也可以看出 散点图沿 45 度线方向的长短代表了在 24 小时内平 均心率变化的大小 图 9 5 D 中的散点图比较长 说明平均心率在 24 小时内 如白天 和夜间 有比较大小变化 而图 9 5 C 中的散点图在 45 度方向散开的大小代表了瞬时 心率变化曲线中快速变化的大小 比较图 9 5 和图 9 6 A B 可以看出 鱼雷状的散点 心电工作站 2 0 临床应用手册 心率变异性 北京美高仪软件技术有限公司 86 图在 45 度线方向的长度短 而且在垂直于 45 度线方向的宽度也窄 这说明呈现鱼雷状的 散点图时 无论是 24 小时内的平均心率变化 还是瞬时心率的快速变化都小 也就是心率 变异性低 2 2 RRRR 间期差值散点图间期差值散点图 RR 间期差值散点图 RR Successive Difference Plot 是在一定的时间隔内 例如 24 小时 对于连续三个以上的相邻的窦性心搏可以画出 RR 间期差值散点图 以 RRi 为横坐标 以 RRi 1 为纵坐标可画出一个点 在一定时间间隔内画出所有的点 就得到了 RR 间期差值散点图 见图 9 6 图 9 6 RR 间期差值散点图 由于 RRi RRi 1 值有正有负 RR 间期差值散点图的形状是围绕坐标原点的一个斑 块的图形 其斑块的大小 形状和位置代表了瞬时心率变化曲线中高频变化规律的特征 图中的 RR 间期差值数点图可以由坐标划分成四个区域 即四个象限 在 A 象限中 或标 RRi 0 在 B 象限中 或标 RRi 0 RRi 1 0 在 C 象限中 或标 RRi 0 在 D 象限中 或标 RRi 0 RRi 1 0 3 3 非线性分析各指标正常值 非线性分析各指标正常值 PoincarePoincare 散点图 正常人 96 为慧星状 定量指标 矢量角度指数 VAL 平均 0 67 0 17 矢量长度指数 VLI 平均 193 54 41 56 差异指数平均 11 59 4 46 RRRR 间期差值散点图四个象限 a 24 56 3 8 b 23 33 6 48 心电工作站 2 0 临床应用手册 心率变异性 北京美高仪软件技术有限公司 87 c 28 20 3 21 d 24 30 3 97 9 9 3 3 HRVHRV 的临床应用的临床应用 尽管对很多心血管疾病 乃至非心血管病的 HRV 进行了广泛的临床研究 目前比较一 致的看法是 HRV 分析主要用于下述两个方面 作为急性心肌梗塞后患者发生猝死和恶性心律失常危险的预测指标 评估糖尿病患者 自主神经系统受损 大量的研究表明 HRV 在很多疾病的临床应用中 也有潜在的价值 但仍需进一步的研究证实 1 1 急性心肌梗塞后患者危险性评估 急性心肌梗塞后患者危险性评估 HRV 的降低是预测急性心肌梗塞后患者发生心脏猝死和恶性心律失常危险的重要独立 指标 虽然 在预测急性心肌梗塞患者总的死亡危险时 HRV 与左心室射血分数的价值相 近 但在预测心脏性猝死方面 HRV 优于左心室射血分数 对于急性心肌梗塞后患者危险程度评估推荐采用长程 24 小时时域指标进行分析 判定急性心肌梗塞后危险性的指标 高危险性的患者 SDNN 50ms 三角形指数 15 中度危险的患者 SDNN 100ms 三角形指数 20 对于急性心肌梗塞患者 在发病后何时检测 HRV 具有较高的预测价值尚无定论 一般 建议在梗塞后一周开始进行 HRV 的检测 HRV 在梗塞后立即降低 并在几周内开始恢复 梗塞后 HRV 恢复的快慢 对以后死亡的危险性也有预测价值 就在心肌梗塞的早期 急性 心肌梗塞后 2 3 日 恢复期 梗塞 1 3 周 以及梗塞后 1 年分别对患者进行 HRV 的检测 以判断 HRV 恢复的快慢 并对 HRV 恢复较慢的患者死亡的危险性进行评估 HRV 和其它预测方法联合使用可以提高危险性预测的准确性 与 HRV 联合使用的方法 有平均心率 左室射血分数 室性异位心律 心室晚电位等 但是如何组合这些指标 以 进一步提高预测价值仍需地一步研究 短程心电图记录的 HRV 时域分析一般只适用于急性心肌梗塞后存活的患者中进行高危 患者的筛选 发现异常时 应进行长程 HRV 检测与分析 2 2 对糖尿病患者的自主神经系统损伤的评估 对糖尿病患者的自主神经系统损伤的评估 有文献报道 一旦糖尿病患者的自主神经系统并发症 DAN 产生之后 5 年死亡率可 达 50 为此 早期发现自主神经系统的损害是