低溫環(huán)境下心率變異性分析研究*

朱宏亮，韓兆星，余松林，胡祝強(qiáng)，王慧泉△

(1.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300100；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083； 3.天津計(jì)量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津 300192)

1 引 言

低溫作業(yè)在我國眾多領(lǐng)域均有涉及，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14440-1993《低溫作業(yè)分級》規(guī)定，作業(yè)人員在生產(chǎn)勞動(dòng)過程中，其工作地點(diǎn)平均氣溫等于或低于5℃的作業(yè)即為低溫作業(yè),按工作地點(diǎn)的溫度和低溫作業(yè)時(shí)間率，可將低溫作業(yè)分為四級，級別越高環(huán)境越惡劣[1-3]。盡管在低溫作業(yè)環(huán)境下有足夠保暖的衣服，但作業(yè)人員身體仍有裸露部分，受冷后均會(huì)對人體產(chǎn)生局部性或全身性冷感，且長時(shí)間在低溫下暴露會(huì)影響腦功能，使注意力不集中，對心血管系統(tǒng)也有所影響[1]。因此，本研究通過模擬低溫作業(yè)人員在低溫環(huán)境下的心電來進(jìn)行分析，旨在為低溫作業(yè)人員提供安全保障，及時(shí)預(yù)警，提高作業(yè)效率。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)對象

本實(shí)驗(yàn)選用多因素復(fù)合環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，該艙溫度控制在-50℃～60℃，相對濕度控制在10%～90%，最大風(fēng)速可達(dá)30 m/s。另外，根據(jù)全國主要城市低溫分布數(shù)據(jù)(見表1)，將實(shí)驗(yàn)環(huán)境定在-10℃。

為了更好模擬應(yīng)急救援人員，本實(shí)驗(yàn)樣本選取3名身體健康、無凍傷史的男性志愿者，年齡23～25周歲，身高(173.2±3.5)cm，體重(65.7±8.5)kg。平時(shí)體育訓(xùn)練水平一般，無心血管疾病，無心率異常。實(shí)驗(yàn)前不劇烈運(yùn)動(dòng)，不飲酒，不喝咖啡，未服用對心血管系統(tǒng)有影響的藥物。

表1 全國主要城市綜合溫度Table 1 Comprehensive temperature of major cities in China

注：中央氣象臺(tái)1951～1980年氣象資料統(tǒng)計(jì)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

使用采樣率為256 Hz的EQ02 life monitor背帶式心電設(shè)備同時(shí)采集3名受試者心電信息。首先由工程師將艙內(nèi)的溫度設(shè)定在-10℃，待3名受試者佩戴好設(shè)備，穿好衣服，戴好帽子，但是不帶手套，常溫檢測10 min心電。然后3名受試者從常溫下進(jìn)入-10℃模擬艙，每10 min測試一次心電，記錄并保存數(shù)據(jù)。40 min后出艙開始緩和20 min，緩和期間對3名受試者每10 min檢測一次心電，緩和后再對受試者進(jìn)行10 min心電檢測，查看恢復(fù)情況。實(shí)驗(yàn)后對進(jìn)艙前、低溫下和緩和期間的心電進(jìn)行時(shí)域、頻域和非線性分析。

2.3 分析方法

2.3.1 時(shí)域分析 HRV時(shí)域分析為心臟和心血管生理狀況的評估和預(yù)測起到重要作用。本研究采用的時(shí)域分析指標(biāo)為：平均正常RR間期的標(biāo)準(zhǔn)差(SDNN)、相鄰RR間期差的均方根(RMSSD)、相差大于50 ms的相鄰RR間期占RR間期總數(shù)的百分比(PNN50)[4]。

2.3.2 頻域分析 頻域分析即功率譜分析。相對于時(shí)域分析，心率變異性的頻域分析是從頻譜分析的角度對心率變異性變化的規(guī)律進(jìn)行更深層次分析，常見的信號(hào)功率譜密度分析方法有經(jīng)典功率譜分析和現(xiàn)代參數(shù)建模法[5]。經(jīng)典功率譜分析法的數(shù)據(jù)量小，譜分辨率低，能量會(huì)發(fā)生泄露的現(xiàn)象，而AR模型法可以提高譜分辨率。因此針對本研究數(shù)據(jù)，采用AR模型法進(jìn)行頻域分析。頻域分析指標(biāo)為：低頻成分(LF，0.04～0.15 Hz)、高頻成分(HF，0.15～0.4 Hz)、總功率(TP，0.003～0.4 Hz)[6-7]。

2.3.3 非線性分析 本研究采用非線性指標(biāo)Poincare散點(diǎn)圖作為非線性分析方法。Poincare散點(diǎn)圖是常用的心率變異性非線性分析研究，又稱Lorenz散點(diǎn)圖，是具有混沌特性的多維“空間結(jié)構(gòu)”截面圖。因此，用Poincare散點(diǎn)圖來表征相關(guān)生理特性，可以反映心臟跳動(dòng)的瞬時(shí)變化，也可以反映出外界環(huán)境對心臟的影響。

2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

3 數(shù)據(jù)結(jié)果

3.1 心率變異性時(shí)域分析

表2 時(shí)域結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 2 Time domain result table

注：*P<0.05，**P<0.01。

3名受試者時(shí)域結(jié)果見表2，SDNN、RMSSD、pNN50隨著時(shí)間變化，存在顯著性差異。進(jìn)艙前SDNN、RMSSD和pNN50的值相對低溫下1～10 min的值發(fā)生變化。在-10℃低溫條件下，前30 min的SDNN、RMSSD和pNN50逐漸減小，在30～40 min時(shí)，SDNN、RMSSD、pNN50(P<0.05)值最大，SDNN(P<0.05)、RMSSD、pNN50緩和時(shí)10～20 min值最大。緩和后SDNN、RMSSD和pNN50的值減小，值接近進(jìn)艙前，時(shí)域指標(biāo)變化見圖1。

圖1時(shí)域指標(biāo)變化

Fig.1Change of time domain indicators

3.2 頻域分析

3名受試者頻域結(jié)果見表3，在進(jìn)艙前和低溫1～10 min下的TP、HF和LF發(fā)生變化，其值均減小且無顯著性差異。TP、HF和LF在低溫下30～40 min的值最大，其中HF(P<0.05)有顯著差異，出艙緩和1～10 min的TP、HF和LF減小，在10～20 min達(dá)到最大，且TP(P<0.5)有顯著性差異。緩和后1～10 min的TP、HF和LF減小，值接近進(jìn)艙前，頻域指標(biāo)變化見圖2。

表3 頻域結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 3 Time domain result table

注：*P<0.05，**P<0.01。

圖2 頻域指標(biāo)變化Fig.2 Change of frequency domain indicators

3.3 非線性分析

健康人的Poincare散點(diǎn)圖呈現(xiàn)彗星狀，在患有心血管疾病的人群中Poincare散點(diǎn)圖會(huì)呈現(xiàn)扇形，短棒狀和復(fù)雜形。3名受試者在進(jìn)艙前、低溫下、緩和間期和緩和后得到的散點(diǎn)圖基本為彗星狀，其中一名受試者在進(jìn)艙前、低溫下、緩和間期和緩和后的散點(diǎn)圖見圖3。

圖3 散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot

4 分析與討論

本研究通過對時(shí)域和頻域的分析發(fā)現(xiàn)，從常溫進(jìn)入-10℃的低溫環(huán)境，時(shí)域中SDNN、RMSSD和pNN50，頻域中TP、HF、LF的值均先減小再升高，在30～40 min后的值達(dá)到最大，緩和20 min后均恢復(fù)正常。通過SDNN值的變化說明在低溫下30 min后，自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能大幅度提高。緩和20 min后，自主神經(jīng)調(diào)節(jié)功能大致恢復(fù)。pNN50和RMSSD的值的變化說明低溫30 min后，副交感神經(jīng)活性增強(qiáng),20 min后恢復(fù)到正常水平。HF和LF在進(jìn)艙前和低溫中的值發(fā)生變化，說明迷走神經(jīng)和交感神經(jīng)活性發(fā)生變化，在30 min后迷走神經(jīng)和交感神經(jīng)活性大幅度提高，緩和20 min后，恢復(fù)到正常水平。通過對散點(diǎn)圖的分析，得知在低溫下40 min并不會(huì)引發(fā)心血管等疾病。

本研究雖然未發(fā)現(xiàn)頻域指標(biāo)在低溫40 min內(nèi)有顯著性差異，但發(fā)現(xiàn)反應(yīng)的趨勢與時(shí)域結(jié)果基本一致。此外本研究發(fā)現(xiàn)低溫對交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)影響程度不同，這種差異的具體原因和機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。