标准化问题
吴杰
本文作者吴杰先生武汉同济医科大学
附属同济医院心内科副教授副主任医师
中华心电生理和起搏学会心电图学组专业委员
关键词: 心率变异性标准化方法学
自从1987年Kleiger等报道了心率变异性(Heart Rate Variability HRV)降低可作为心肌梗死后猝死的预测因子以来国内外掀起了研究HRV的高潮大量研 究结果表明: HRV分析是判断自主神经系统活动的一项有价值的指标但由于检测方法和仪器设备的标准化问题尚未解决导致各家研究结果难以比较和验证有时还会导出错误的结论为了规范HRV研究欧洲心脏 学会和北美起搏和电生理学会于1996年发布了有关HRV研究的工作指南我国也于1997年在中华心律失常学杂志发表了关于心率变异性检测与分析工作规程的建议1998年
在中华心血管病杂志上刊载了心率变异性检测临床应用的建议以规范这一领域的研究提高整体研究水平本文介绍有关HRV分析的标准化问题
一HRV的基本概念
HRV是指心率的快慢差异性HRV分析的概念不同于通常以每分钟为单位的平均心率差别如80次/min或120次/min HRV是分析逐个心动周期的细微的时间变化及其规律这种变化在体表记录的常规心电图上常难以测出或因微小而略而不计同时由于常规心电图记录时间过短无法反映整体的规律性为此
常规心电图上习惯描述的规则的窦性心律绝不等于心率没有变异或HRV降低前者是一正常概念而后者是一病理情况绝不能混淆
HRV的研究对象只是逐次心动周期的时间差别罗列人体每次心动周期间的差别可显示出一大堆貌似无
序的参数反映了心率连续的瞬时波动而心率的波动并非偶然而是受体内神经体液的调控为适应不同的生理状况或某些病理状态而作出的反应换言之心率的波动变异的内涵是十分丰富的如何从心率
波动这一简单现象中从一大堆无序的参数中提取分析出其中有序的规律用以说明人体的生理或病理变化是HRV分析的实质所在也是有别于其他心电检测技术的关键
二HRV检测的方法学
HRV检测实际上是心动周期变异的检测各项HRV指标的测量都是建立在NN间期(即R-R间期)测量的基础上从方法学上可分为时域方法频域方法及
非线性(混沌)方法
1. 时域方法(Time Domain Methods)
可分为统计法与图解法目前文献上所见到的时域分析的指标甚多其中有
一些意义相同且重复有一些又是定义不明确或是计算十分繁杂但总的说来
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时域分析的各种指标都是用定量的方法对心动周期(R-R间期)的直方图或R-R间期差值的直方图的形状的描述
a. 推荐使用的统计法指标和定义见表1
b. 推荐使用的图解法指标和定义见表2
c. 推荐使用的HRV时域指标中SDNN HRV三角指数用于评估24h长程
HRV总体变化的大小; SDANN反映HRV中慢变化成分; RMSSD反映HRV中快变化成分
d. 使用时域指标的注意事项:
(1) 长时程(总体)HRV分析以24h为宜; 短程分析则以5min时段为宜分析长短程的指标不能相互取代
(2) HRV三角指数的计算结果与时间单位(bins)直接相关国际上推荐使用
1/128s(7.8125ms)作为时间单位如果时间单位不同则计算出来的三角指数不能进行比较
(3) 分析不同时程的HRV的结果不能直接比较
(4) 应该注意区分选用的指标是直接测定R-R间期的差别还是测定相邻R-R 间期的差别或是测定瞬时心率变化因为各自所得的结果不能直接比较
2. 频域方法(Frequency Domain Methods)
任何形状的曲线包括瞬时心率变化趋势图都可以分解为数目不等的不同频
率不同幅度不同相位的正弦曲线也就是说任何复杂的混乱的曲线都可以转
换归纳成不同的正弦曲线的组合根据各种正弦曲线的功率分布绘制出频谱曲
线从而可揭示某些规律这种分析方法称之为频谱或频域分析
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将心率变化曲线转变为频谱常用的方法有快速傅立叶转换法(FFT 算法)和自回归分析法(AR 算法)两种算法所绘制的图形不相同但其数量的结果是可比的FFT 算法简单运行快速; AR 算法的优点是其频谱图中各频段的曲线平滑频谱峰的中心频率容易识别易为临床医生所接受
关于频域分析的功率谱密度(PSD)单位有的采用ms 2/Hz 反映R-R 间期变异; 有的采用Beats 2/Hz 反映瞬间心率变化尽管从理论上都是反映心搏活动的变化
但前者对反映各频谱变化的敏感性远远高于后者故推荐使用ms 2/Hz
a. 推荐使用的频域指标和定义见表3和表4:
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与HRV 的时域分析不同频率分析对短时和长时间分析结果的意义有很大
差别5min 短程的分析应取平卧休息状态控制好病人及环境条件避免各种暂时影响自主神经活动的因素诸如兴奋活动深大呼吸吸烟饮酒后等等使所得出的结果各频段反映出被检查者固有的自主神经活动情况而24h 长程的频域分析不可能做到控制上述各种因素因而其结果只能反映总体的综合情况
对5min 的分析建议采用以下指标: 5min 总功率密度(ms 2)
VLF(ms 2)
LF(ms 2)LFnorm(nu)HF(ms 2)HFnorm(nu)LF/HF 以上必须说明的是LFnorm 和HFnorm 两者分别为低频段功率与高频段功率归一化的值其单位为(nu)其计算方法是用所测得的LF 或HF 功率的绝对值除以总的功率减去VLF(极低频)再乘以100归一化的LF 及HF 值更能直接反映迷走交感神经调节的变化
Lfnorm=
100)(×−VLF
HF LF 总功率或
对于24h 长程分析不宜采用LFnorm HFnorm 及LF/HF 等指标
而ULF(超低频段)与时域指标SDANN 相当有一定的价值可以采用
b. 频域分析的注意事项:
(1) 短程和长程分析应严格区分应根据研究内容的不同正确选用长程或
短程分析两者不能相互取代对于用短程分析所得到的结果不能与长程所得者
相比反之亦然
(2) 短程分析采样过程中最好避免有早搏漏搏等情况不可避免时应在软
件设计中设有人工编辑功能以确认窦性心搏分类的正确性并可选择性剔除伪
爱的套索差和早搏插入QRS检出时漏掉的心搏
(3) 采用FFT方法的频谱分析除应提供频谱曲线及各谱段的具体数据外
应说明所分析的样本数及所使用的频谱窗(目前较多用的是Hann Hamm-ing
Triangular等)采用AR分析则应标明所使用的数学模型计算时使用的数据个数LF和HF等频段的中心频率以及相应的测试要求
c. 频域分析和时域分析的比较同一段短时稳定记录的心电信号从频域分析中可以得到比时域分析更多或更准确的有关自主神经活动的信息
24h长程HRV的频域和时域分析指标在很多方面是高度相关的见表5按具体参数来看: 时域指标中的SDNN三角指数TINN与频域中的总功率相当: SDANN与ULF相当; SDNN Index与每5min总功率的平均值相当; 其余的RMSSD SDSD PNN50差异指数均与频域分析的HF所代表的意义相同为此除非有特别目的采用24h时域分析不必要作频域分析
3. 非线性方法(Nonlinear Methods)
心率变异的产生肯定存在非线性现象它取决于血流动力电生理体液及自主神经调控之间复杂的相互影响应用非线性的动态方法来分析HRV可能取得更有价值的信息这一设想是对的目前非线性分析方法也很多但均涉及十分复杂的数学问题近几年非线性系统理论及分析方法(例如相关维算法Lorenz 散点图李雅普诺夫指数的应用)取得了进展展现了在这一领域中HRV分析的潜在价值不过由于缺乏临床对照比较标准其所得结果的意义尚不明确仍有
待于深入探究和做更多的工作方能得出结论
三HRV分析仪器的要求
1. HRV检测分析仪器最好同时具备采用自回归分析法(AR)和傅立叶转换法(FFT)短程HRV频域分析的功能并按对HRV频谱分析的要求打印报告
2. 能完成SDNN SDANN RMSSD HRV三角指数4个标准的长程记录的时域指标的分析
3. 用于HRV检测和分析的数据采集和处理应按下列流程图(见图)来进行
心电图数据经数字化后进入计算机首先进行伪差的识别在R-R数据编辑中识别异位搏动心搏下一步剔除坏点(包括伪差异位搏动等)产生NN 间期数据在这个阶段中应包括有人工编辑功能产生可靠的NN间期数据后可以计算时域指标经过插值和重新采样之后进行频域分析
4. 对于固态的Holter记录器在信号复原时其幅度和相位畸变应很小对于磁带式记录器应带有锁相的时标跟踪信号
5. 记录器的采样频率一般应在250~ 500Hz范围内如果采样频率在100~ 250Hz之间时在计算R波的位置时应采用抛物线插值算法以提高NN间期计算的精度
6. 对商品HRV分析仪器的评价: 对HRV仪器的性能的检测评价是比较复杂的工作欧洲心脏学会和北美起搏和电生理学会于1996年发布的有关HRV研究的工作指南附录中提出了对商品HRV仪器的检测方法和要求可供参考
四HRV的临床应用
1. HRV的临床评价
目前HRV用于临床的研究范围非常广泛包括了很多的心血管疾病乃至
工程资料库非心血管疾病但迄今为止在实践中HRV有肯定价值的只有两个方面:
a. HRV降低是急性心肌梗死后死亡危险的预测指标: 高危患者SDNN
<50ms三角指数<15; 中度危险SDNN<100ms三角指数<20
急性心肌梗死后HRV的变化是一动态过程急性心肌梗死后早期2~3天HRV 均降低但此后在数周内逐渐恢复6~12月后绝大多数但也不是完全恢复至于什么时间进行HRV分析最具预测价值的问题目前尚缺乏认真的研究当前普遍接受的作为急性心肌梗死预后的预测指标应取心梗后1~3周的HRV分析
急性心肌梗死后1年复查HRV可进一步预测死亡危险
b. HRV可用于评估患者自主神经系统损害: HRV多数表现为所有频带功率均降低; 倾斜试验时LF不升高提示交感神经受损或压力反射灵敏度降低; 总功率异常降低而LF/HF比值不变; LF的中心频率左移(其生理意义尚待研究)
对其他方面的研究如心力衰竭高血压病扩张性心肌病及其它有猝死倾向的心脏病等已发现其发生或病程进展可能与自主神经失衡有关但其具体机制尚待阐明
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