極短時心率變異性與脈率變異性指標一致性的分析*

彭敏，何寶林，劉靜，于璐△

(1.中國醫(yī)科大學公共基礎學院生物醫(yī)學工程系，沈陽 110122；2.中國醫(yī)學科學院血液病醫(yī)院(中國醫(yī)學科學院血液學研究所)實驗血液學國家重點實驗室 國家血液病臨床醫(yī)學研究中心，天津 300020;3.武漢大學中南醫(yī)院核醫(yī)學科，武漢 430071)

1 引 言

多年來,對于血管疾病和睡眠疾病的診斷手段十分有限。已有研究表明，心血管疾病與呼吸睡眠疾病與自主神經(jīng)系統(tǒng)(autonomic nervous system,ANS)功能改變有關[1-2]。心率變異性(heart rate varibility,HRV)指逐次心跳周期差異的變化情況[3]，其中含有神經(jīng)體液因素對于心血管系統(tǒng)的調節(jié)信息；脈率變異性(pulse rate varibility, PRV)通常指逐次脈搏間的脈搏波間期的微小漲落[4]，其變化同HRV一般都受到身體的各組織器官影響。近年來出現(xiàn)了大量關于心率變異性和與其同源的脈率變異性的研究[4-6]，但極短時內二者一致性的替代研究相對缺乏。目前對于心率變異性的分析都是對于長程(24 h)或短程(5～30 min)的信號來進行的[7]，數(shù)據(jù)獲取不易且耗費資源。短時心率變異性能可反映自主神經(jīng)功能[8]，臨床上認可的短時心率變異性的研究都在5 min以內，但Smith等[9]證實了極短時(30 beats)HRV指標在反映自主神經(jīng)功能的有效性。He等[10]證明了極短時(15 s)的HRV相關指標能反映自主神經(jīng)功能變化，并利用這些指標進行睡眠呼吸暫停檢測。L′azaro等[11]在兒童研究中發(fā)現(xiàn)PRV在睡眠呼吸暫停檢測中也能代替HRV。極短時分析所需的序列更短、更快速方便，能節(jié)約費用，還可以實時監(jiān)測疾病。睡眠呼吸暫停[12]定義是在連續(xù)7 h睡眠期間發(fā)生30次以上、10 s以上呼吸氣流暫停，且不論是自主屏氣還是非自主呼吸暫停，都會導致自主神經(jīng)功能障礙[13]。已有研究表明心率變異性可作為診斷睡眠呼吸暫停的方法之一[14-15]，且已有大量基于HRV的呼吸暫停實時檢測研究[16-17]，這些研究都是將心電信號切割成極短時信號段(10 s～1 min)，再進行檢測和診斷。然而，心電信號的采集過程較脈搏更為復雜，且信號易因姿勢的改變以及噪聲的干擾而產(chǎn)生較大波動[18]，如果能夠證明極短時內的兩種變異性指標的一致性，就可能用脈率變異性替代心率變異性來實時檢測呼吸暫停。并且研究脈率變異性通常利用PPG信號，能夠在獲取脈率的同時獲得血氧飽和度[19]，能用較少的資源獲取更多的數(shù)據(jù)。因此，研究脈率變異性替代心率變異性具有較大意義。本研究選擇15 s內的心電與脈搏信號在四種不同呼吸狀態(tài)下計算和比較HRV與PRV指標，多方面探討兩種變異性的一致性，以便為后續(xù)研究極短時PRV替代HRV進行實時apnea檢測提供理論基礎。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與呼吸狀態(tài)劃分

在無明顯噪音情況下，44名22～24歲健康青年采取平躺姿勢，用多導睡眠監(jiān)測儀(polysomnography,PSG)分別采集了兩組信號。第一組以平靜呼吸和自主屏氣模擬呼吸暫停缺氧狀態(tài)15 s，交替10次，連續(xù)采集了15 min時長的PSG信號。第二組以平靜呼吸、快速呼吸、慢速呼吸的三種方式組合，連續(xù)采集了15 min時長的信號。得到共13個通道的信號,本研究用到其中三個通道的信號,為采樣率200 Hz的心電信號、采樣率75 Hz的脈搏血氧飽和度信號、采樣率200 Hz的呼吸氣流信號。用呼吸氣流信號劃分心電與脈搏數(shù)據(jù)的四種呼吸狀態(tài)，來比較心率變異性和脈率變異性在不同的呼吸狀態(tài)下是否都保持一致。

2.2 特征點提取與指標計算

心電與脈搏屬于微弱生理信號，研究采用墨西哥小波變換[20]去除由于工頻以及人體呼吸因素等造成的干擾。對變換后的信號尋求極大值和極小值[21]，進一步判斷極值是波峰還是波谷。然后選取最大、最小幅度的差值的30%為判別R波的閾值。判斷每名受試者信號波形提取圖，并因人而異具體選擇每名受試者信號的閾值，從而找出每個周期信號的峰值點。

從時域、頻域及非線性三個方面對15 s內的兩種信號進行分析。根據(jù)研究的預實驗，從眾多變異性指標中選擇了六個指標來進行分析，此六指標涵蓋了時、頻和非線性三個方面，其對于長時、短時和極短時的信號都可以進行分析，不會因信號長短的改變而影響指標值，適用于極短時的變異性分析。選擇的時域指標是MEAN和rMSSD。MEAN是RR間期的平均值，rMSSD是相鄰RR間期差值的均方根，見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

頻域指標是用Lomb算法[22]得出的歸一化的低頻段功率(nLF)，歸一化的高頻段功率(nHF)，歸一后的低頻段比高頻段(nLF/nHF)；非線性指標是去趨勢波動分析法短時參數(shù)DFA1[23]。

2.3 統(tǒng)計分析

使用的統(tǒng)計分析方法有Bland-Altman一致性分析[4]、Pearson相關性系數(shù)與散點圖、單樣本K-S檢驗[24]、Mann-Whitney U檢驗[12]。BlandAltman分析是對兩種不同的測量方法得到的數(shù)據(jù)進行比較。以兩種方法得出結果的差值作為縱坐標，以兩種結果的平均值作為橫坐標，用Medcalc軟件進行圖形的繪制。Pearson相關性系數(shù)是回歸分析中對于兩個變量或者多個變量的相關性程度的描述，通過統(tǒng)計指標系數(shù)r分析。散點圖將HRV作橫坐標，PRV作縱坐標做圖，并添加45°角參考線，展示兩變異性之間相關性。單樣本K-S檢驗是利用樣本數(shù)據(jù)檢驗樣本所代表的總體是否服從特定分布(正態(tài)分布、泊松分布、均勻分布或指數(shù)分布)的方法，本次研究用IBM SPSS Statistics 22來進行檢驗，測定兩類變異性指標是否擬合正態(tài)分布，(P>0.05)，推斷某一變異性指標總體服從正態(tài)分布。Mann-Whitney U檢驗是兩個獨立樣本非參數(shù)檢驗是在對總體分布未知的情況下，通過樣本數(shù)據(jù)檢驗兩個獨立樣本的對應總體分布或者分布位置差異，認為P>0.05時差異無統(tǒng)計學意義。

3 結果

呼吸暫停標記為狀態(tài)1，來自第一組PSG數(shù)據(jù)中10組呼吸暫停的15 s長度的信號共440組數(shù)據(jù)；快速呼吸標記為狀態(tài)2，來自第二組PSG數(shù)據(jù)中3段15 s長度的信號共132組數(shù)據(jù)；慢速呼吸標記為狀態(tài)3，來自第二組6段15 s長度的信號共264段數(shù)據(jù)；平靜呼吸標記為狀態(tài)4，來自第二組10段15 s長度的信號共440段數(shù)據(jù)。因此，對應呼吸狀態(tài)下的心電數(shù)據(jù)記為H1-H4組，脈搏數(shù)據(jù)為P1-P4組。特征提取后計算四個呼吸狀態(tài)下心電信號MEAN指標的均值范圍在866～896 ms，脈搏信號MEAN指標的均值范圍在856～876 ms。利用統(tǒng)計學分析方法得到一致性比較結果。

3.1 Bland-Altman分析

時域指標MEAN和所有的頻域與非線性域指標在四個狀態(tài)下，大多數(shù)點基本都在95%置信區(qū)間內，具有置信意義。而時域rMSSD指標在平靜呼吸狀態(tài)下有一部分置信外空間點，其余三個狀態(tài)的點總體位于界限內。圖1是非線性指標DFA1在四種呼吸狀態(tài)下的一致性圖形。

圖1 四個呼吸狀態(tài)下非線性指標DFA1的Bland-Altman圖

圖2 四個呼吸狀態(tài)下非線性指標DFA1的散點圖

3.2 Pearson相關性系數(shù)與散點圖

結果顯示，在頻域和非線性域，HRV指標與PRV指標具有較強的相關性。rMSSD組在快速呼吸，慢速呼吸，平靜呼吸下的Pearson系數(shù)r均小于0.3，說明相關性極弱，只在模擬呼吸暫停狀態(tài)下r大于0.6；其余五個指標在呼吸暫停、慢速呼吸、平靜呼吸狀態(tài)下相關性系數(shù)均大于0.7。圖2是三個域指標在四種呼吸狀態(tài)下散點圖的示例。表1呈現(xiàn)了DFA1指標在各狀態(tài)下的相關性系數(shù)。

表1 指標的Pearson相關性系數(shù)r

3.3 單樣本K-S檢驗

表2結果表明并非所有狀態(tài)下的HRV與PRV都符合正態(tài)分布(P>0.05)，同一狀態(tài)下的HRV與PRV也不一定同時滿足正態(tài)分布。因此，采用另一種對樣本要求更低的非參數(shù)檢驗方法Mann-Whitney U檢驗。

3.4 Mann-Whitney U檢驗

由表3可知，只有rMSSD組在呼吸暫停與慢速呼吸狀態(tài)下P<0.05，差異有統(tǒng)計學意義，但在快速呼吸和平靜呼吸狀態(tài)下的伴隨概率P均高于檢驗水準，說明心率和脈率差異無統(tǒng)計學意義。其余五個指標伴隨概率P均高于檢驗水準，說明這幾個指標在四個狀態(tài)下無明顯差異。

表2 單樣本K-S檢驗

4 討論

本研究可用于非自主呼吸暫停檢測如睡眠呼吸暫停綜合征實時檢測，以及自動正壓通氣的自動壓力滴定方法[25-26]的改進。同時，自主性呼吸控制下的數(shù)據(jù)對于研究高發(fā)的潛水員憋氣導致的心律失常有意義[27]，可通過研究脈搏信號，監(jiān)控潛水員在潛水時的自主神經(jīng)功能變化。研究保證了極短時15 s內兩種信號的長度差控制在合理范圍內(<0.1 s)，保證了變異性差距的合理性。利用計算出的四個狀態(tài)下的心率變異性與脈率變異性不同分析指標，采用多種統(tǒng)計學方法來進行極短時的一致性比較，在多方面通過多種比較方法來研究心率與脈率之間的一致性程度，能得出較為可信的結論，可知極短時內HRV和PRV指標在四個狀態(tài)下基本一致，如MEAN、Lomb-nLF、Lomb-nHF、Lomb-nLF/nHF、和DFA1，但rMSSD在四個狀態(tài)下不一致。rMSSD指標反映的是迷走神經(jīng)張力大小，表1中該指標在四個狀態(tài)的相關性都低，表2中該指標的PRV在四個呼吸狀態(tài)下都比HRV要高，說明脈搏信號對迷走神經(jīng)的變化比心電信號更加敏感。在呼吸暫停和慢速呼吸狀態(tài)下，血氧含量相比平靜呼吸和快速呼吸狀態(tài)低，心血管調節(jié)使迷走神經(jīng)變化更明顯，而脈搏信號更敏感，導致PRV變化相比HRV更大，因此，這兩種狀態(tài)下的指標不滿足一致性。近年來由于傳感器等快速發(fā)展[28]，脈率測量的設備簡便，測量準確實時，在臨床上實現(xiàn)用脈率替代心率的檢測，獲得數(shù)據(jù)更容易，有利于臨床操作。但目前研究樣本量不足以達到臨床驗證的標準，并且對于非自主性呼吸暫停事件尚未進行兩種變異性一致性的驗證，還需要更進一步的研究才能證實二者的一致性。

表3 六個指標在四個不同狀態(tài)下的Mann-Whitney U檢驗結果

5 結論

本研究對呼吸暫停、快速呼吸、慢速呼吸、平靜呼吸四個狀態(tài)下的心率變異性與脈率變異性的六個指標進行15 s時域、頻域、非線性分析，發(fā)現(xiàn)呼吸暫停、快速呼吸、慢速呼吸、平靜呼吸四個狀態(tài)下極短時15 s的時域指標MEAN，頻域指標Lomb-nLF、Lomb-nHF、Lomb-nLF/nHF和非線性指標DFA1的HRV與PRV具有良好一致性，認為極短時下的脈率變異性可以替代心率變異性以反映自主神經(jīng)功能變化，可期用于研究實時睡眠呼吸暫停的檢測。