基于HRV指標變化監(jiān)測昆明犬的運動效果及工作表現(xiàn)

徐 虎，黃慶國，馬衛(wèi)國，李居東，曹 劍，李 杰

(公安部昆明警犬基地警犬行為學研究室，昆明 650204)

心率變異性(Heart rate vail-rability，HRV)指逐次心跳R-R間期(瞬時心率)不斷波動的現(xiàn)象，是一種用于研究心臟自主神經(jīng)功能的非侵入性指標，HRV分析是將R-R間期或者每個心動周期的心率變化數(shù)量化，并以此反映自主神經(jīng)系統(tǒng)活性和定量評估心臟交感神經(jīng)與迷走神經(jīng)張力及其平衡性[1-4]。HRV 時域測定分析方法是以RR期間的變異為基礎，可用標準差、方差、極差、變異系數(shù)等來表達。常用指標為所有竇性RR期間的標準差(SDNN)；每5min竇性RR期間均值的標準差(SDANN)；所有鄰近竇性RR期間長度差異平方均值的平方根(R-MSSD)；毫秒間隔以上臨近周期的比例(PNN50:50)，單位為百分數(shù)。還包括非線性指標，全部正常R-R間距的標準差Y-SD1、全部正常R-R間距的標準差X-SD2、最大R-R 間距、平均R-R間距和最低R-R間距等指標。HRV是一種無損、且被公認的靈敏性指標，已廣泛應用于多個領域。昆明犬是中國自主培育的優(yōu)秀工作犬品種，已在全國各地公安機關及其他相關工作犬應用領域全面推廣使用[5-7]。昆明犬具有服從性好、耐力持久、警覺性高、膽大兇猛、銜取欲強、嗅覺靈敏等特點，在物證搜索、氣味鑒別、搜毒搜爆、追蹤抓捕、防暴救援等專業(yè)領域使用效果突出，在警犬技術專業(yè)中被譽為“萬能犬”[8-12]。研究發(fā)現(xiàn)，HRV與交感神經(jīng)的興奮性提高、迷走神經(jīng)的興奮性降低有關，通過監(jiān)測HRV能預測心律失常甚至致命性的心律失常[13-14]。由于HRV的非侵入性，在體育界得到高度重視，并已作為評估體育運動員心理水平、機能狀態(tài)和競賽能力的重要手段。

目前，國內(nèi)外對工作犬警用性能的研究大多集中在表型行為性狀方面，對工作犬心率變異性與警用性能行為性狀方面的關聯(lián)研究較少。隨著警犬技術的不斷發(fā)展，對犬只機能狀態(tài)的研究就顯得尤為重要。本研究基于HRV檢測昆明犬的警用性能，研究安靜狀態(tài)及運動后HRV各指標變化對昆明犬機能狀態(tài)及警用性能表現(xiàn)的影響，探索迷走-交感神經(jīng)均衡性的制約機制，為監(jiān)測工作犬警用性能及其實戰(zhàn)應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗對象為昆明警犬基地1歲左右8頭昆明犬(公犬，搜索類專業(yè))，所有犬均由同一教官帶班訓練3個月并考核合格以上，統(tǒng)一飼養(yǎng)管理。測試設備包括konlega跑步機10臺，均加裝護欄；拉桿箱包50個。全部測試均在室內(nèi)進行。

1.2 測試儀器及指標

HRV指標的采集測定使用法國 Emka Technologies公司動物遙測—EMKApack 4G無創(chuàng)生理信號遙測系統(tǒng)(配套采集軟件IOX 2.9.4.14、分析軟件ecgAUTO v3.3.0.22)。該系統(tǒng)采用無創(chuàng)式遠程遙測動物生理指標，可以采集動物的心電、血壓、胸/腹呼吸、體溫和活動度等數(shù)據(jù)。采集時將心電電極緊貼犬胸部心臟位置(心電Ⅰ導聯(lián)、心電Ⅱ導聯(lián))，連接生理信號傳感器，即可開始測定不同狀態(tài)下的心電圖。通過分析軟件ecgAUTO v3.3.0.22分析HRV指標。采用The Observer XT 12.0視頻采集分析系統(tǒng)記錄工作成績。

1.3 方 法

1.3.1 運動前(安靜自由狀態(tài))數(shù)據(jù)采集 將試驗犬帶到室內(nèi)測試區(qū)，穿戴EMKApack 4G設備，連接采集軟件，并測試設備運行及數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，讓試驗犬在無逗引狀態(tài)下安靜10 min后，標記采集起點并采集數(shù)據(jù)，持續(xù)采集10 min。

1.3.2 運動后(疲勞狀態(tài))數(shù)據(jù)采集 將試驗犬帶到室內(nèi)，穿戴EMKApack 4G設備，連接采集軟件，并測試設備運行及數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，讓試驗犬在跑步機上以6 km/h的時速運動10 min后，標記運動后數(shù)據(jù)采集起點，持續(xù)采集5 min。

1.3.3 運動前、后工作成績測定 分別在運動前、后兩個狀態(tài)下數(shù)據(jù)采集結束后，讓犬對 20 m×10 m室內(nèi)場的10個箱包物進行自由搜索(1個目標所求物，9個干擾物)，從同一起點開始搜索，搜索到目標物結束，記錄搜索時間。在搜索時犬的運動速度不高于6 km/h。

1.3.4 試驗犬交叉分組 把8頭試驗犬隨機分為A、B兩組，每組4頭。第1 天上午A組運動前試驗、B組運動后試驗，下午A組運動后試驗、B組運動前試驗；第2 天上午B組運動前試驗、A組運動后試驗，下午B組運動后試驗、A組運動前試驗，依次交叉、連續(xù)測試6 d。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2007進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理，用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)差異性及相關性分析，組間比較采用配對t檢驗，采用Spearman秩進行相關分析。結果以“平均值±標準差”表示。

2 結果與分析

2.1 運動前后HRV 各指標對比

由表 1 可知，以6 km/h的時速運動10 min后，運動后時域指標PNN50比運動前極顯著下降(P<0.01)；SDNN和RMSSD指標與運動前差異顯著(P<0.05)。結合昆明犬運動前后與工作成績的差異性(表2)，說明運動導致時域指標變化，反映出體能與工作成績具有一定相關性，也表明通過監(jiān)測運動前后的時域指標可以反映犬的工作狀態(tài)和能力反應，犬運動前后的時域指標越接近，越能保持更好的工作能力，反之，要使工作犬保持較好的動力，在高強度的工作中表現(xiàn)出好成績，加強體能訓練提高體能儲備是有效的手段。

表1 昆明犬運動前后時域指標差異Table 1 Differences of time domain indicators before and after exercise of Kunming Canine

注：同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。下同。

Note:in the same rows,values with different lowercase letters mean significant difference (P<0.05),differrent uppercase letters mean significant difference(P<0.01).The same below.

由表 2可知，運動后非線性指標SD1和SD2比運動前略微上升，但差異不顯著(P>0.05)。說明非線性指標SD1和SD2雖有變化，但只能作為監(jiān)測工作犬運動效果的輔助參考指標。

由表3可知，運動后最低R-R 間距、平均R-R間距及最高R-R 間距比運動前極顯著降低 (P<0.01)。運動使R-R間期產(chǎn)生明顯變化，結合昆明犬運動前后與工作成績的差異性，也能反映出運動變化與工作成績具有一定的相關性。同樣說明犬的工作狀態(tài)和能力可以通過對運動前后R-R間期間的大小來反映，犬運動后的最低R-R 間距、平均R-R間距及最高R-R 間距等指標越接近運動前的，說明犬越具備更好的工作能力。

表2 昆明犬運動前后非線性指標差異Table 2 Differences of nonlinear indicators before and after exercise of Kunming Canine ms

表3 昆明犬運動前后R-R間期指標差異Table 3 Differences of R-R interval indicators before and after exercise of Kunming Canine

由表4可知，運動后工作成績比運動前極顯著降低(P<0.01)。表明訓練成熟工作犬的工作成績與體能狀態(tài)密切相關。結合實際工作也可看出，工作犬在工作初期表現(xiàn)出高度的積極性，隨著工作強度的增大及工作時間的延長，積極性降低。有的犬甚至出現(xiàn)消極怠工，對指令不服從，對所求物不感興趣的情況。另一種表象是，當犬主在日常訓練中注重犬的體能鍛練，所攜帶的工作犬在工作時，工作時間會更長，搜索所求物的成功率會更高，但這有待進一步完善試驗方案來證實。

結果表明所有犬在運動前、后的時域指標PNN50、SDNN、RMSSD，運動后的非線性指標SD1、SD2和運動后的最低R-R 間距、平均R-R間距及最高R-R 間距等都出現(xiàn)相應的變化，說明運動產(chǎn)生的生理變化在一定程度上影響犬的工作能力。

2.2 運動前后HRV各指標與成績的相關性

由表5和表6可以看出，運動前后HRV各項指標與犬的成績相關。運動前，時域指標SDNN、RMSSD和PNN50與成績極顯著相關 (P<0.01)，平均R-R 間距與成績顯著相關(P< 0.05)；非線性指標SD1 和SD2 與成績極顯著相關(P<0.01)；運動后，時域指標SDNN、RMSSD和平均R-R間距與成績顯著負相關(P<0.05)，平均R-R 間距與成績顯著負相關(P<0.05)；非線性指標SD1 和SD2 與成績顯著負相關(P< 0.05)；最高R-R 間距RR與成績極顯著負相關 (P<0.01)。

運動前HRV各項指標與犬的成績正相關，而運動后HRV各項指標與犬的成績呈負相關。初步表明運動產(chǎn)生的過度疲勞導致犬的副交感神經(jīng)及交感—迷走神經(jīng)的不均衡性，致使犬精神狀態(tài)不佳，工作能力下降。結合工作犬在實戰(zhàn)中的應用來看，犬在工作狀態(tài)下需要保持較高的興奮性，但過度興奮及因過度疲勞導致HRV各項指標的差異性變化，都會對工作犬的使用產(chǎn)生一定困擾，前期的過度興奮會讓犬對所求物頻繁產(chǎn)生錯反應，而過度疲勞則讓犬對所求物不產(chǎn)生反應。加強犬的體能訓練，并監(jiān)測HRV各項指標的變化，對于如何讓工作犬在工作中保持交感—迷走神經(jīng)均衡，飽有較好工作狀態(tài)，是目前較好的 方法。

表4 昆明犬運動前后工作成績的差異Table 4 Differences ofKunming Canine’s performance before and after exercise

3 討 論

3.1 運動對HRV變化的影響

工作犬的工作，絕大多數(shù)是在運動狀態(tài)下完成的，尤其是野外作業(yè)時。研究發(fā)現(xiàn)，工作犬一旦進入備戰(zhàn)狀態(tài)，神經(jīng)可能處于緊張狀態(tài)，除周圍環(huán)境的壓力以外，其自身還會因條件反射影響，造成心理和生理上的一些壓力，以及由于運動產(chǎn)生的肌體反應，從而影響HRV 的變化。陳柯萍[15]研究發(fā)現(xiàn)，心率變異性中的RMSSD、SDNN、PNN50和SD1 等指標與副交感神經(jīng)活動有關，VFL、LF和LFNU等指標與交感神經(jīng)活動有關，SD2和LF/HF則反映交感—迷走神經(jīng)的均衡性。本研究根據(jù)犬運動前后心率變異性中各指標的變化也可初步分析交感和迷走神經(jīng)的變化，為下一步深入監(jiān)測犬在工作中生理指標的變化做前期探索。

表5 運動前HRV各指標與成績相關性Table 5 HRV indicators and performance correlation before exercise

表6 運動后HRV與成績相關性Table 6 HRV and performance correlation after exercise

屈成剛[16]的研究表明，球員的表現(xiàn)好壞與SDNNTP和TP指標有關，表現(xiàn)較差的球員，其SDNNTP與TP指標較低，表明當賽前迷走神經(jīng)指標、PNN50、TP SDNN和RMSSD高于基礎值時，運動員處于無疲勞狀態(tài)。本研究中犬運動前比運動后PNN50 顯著降低，說明工作犬在運動前狀態(tài)良好，但在運動后產(chǎn)生疲勞，導致運動前、后工作成績的差異。結合工作犬在同等運動量下的行為表現(xiàn)得知，不同犬只因其疲勞程度的差異，所表現(xiàn)出來的工作狀態(tài)完全不一致，疲勞程度越小，工作狀態(tài)越好。本研究結果表明疲勞影響HRV，反之，監(jiān)測犬的HRV指標也可以指導工作犬在實際工作中的應用。

3.2 HRV變化對昆明犬工作表現(xiàn)的影響

自主神經(jīng)系統(tǒng)活性狀態(tài)是決定賽事動物競技表現(xiàn)是否良好的重要因素之一。程潔等[17]研究HRV變化對伊犁馬競技狀態(tài)的影響時發(fā)現(xiàn)，若自主神經(jīng)在穩(wěn)定平衡狀態(tài)或略傾向于交感神經(jīng)活性時，有助于競賽中取得好成績。本研究結果與此一致，通過運動前、后迷走神經(jīng)的活性監(jiān)測，在一定程度上反映出工作犬的工作表現(xiàn)，運動前SDNN、RMSSD、PNN50、TP和SD1等反映迷走神經(jīng)的指標與工作成績極顯著相關。本研究結果也表明，自主神經(jīng)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)影響工作犬的工作表現(xiàn)，這為運用HRV指標評估犬工作表現(xiàn)提供理論依據(jù)。李長永[18]在研究中發(fā)現(xiàn)，比賽成績與運動員的心理狀態(tài)存在關聯(lián)，賽前心理狀態(tài)越穩(wěn)定的，比賽得分越高。目前，工作犬的狀態(tài)和情緒與工作表現(xiàn)的關系研究較少，本研究運用HRV 指標研究工作犬自主神經(jīng)系統(tǒng)，探析工作犬在工作中運動前、后疲勞狀態(tài)以及心理變化，預判出工作犬的工作表現(xiàn)，為警犬技術工作者進一步根據(jù)迷走神經(jīng)指標變化評估工作犬的狀態(tài)，提高犬的使用效益指明突破方向。

4 結 論

昆明犬運動后平均R-R間距、最低R-R 間距、最高R-R 間距和PNN50 極顯著低于運動前，運動前、后迷走神經(jīng)SDNN、RMSSD和SD1等指標與成績極顯著相關，運動前、后迷走神經(jīng)活性的變化程度，是影響工作犬工作狀態(tài)的主要因素。通過監(jiān)測工作犬HRV變化能有效監(jiān)控工作犬的運動效果及工作表現(xiàn)，為提高工作犬的使用效益提供前期理論依據(jù)。