基于心率變異性的特種車輛乘員作業(yè)工效評價(jià)指標(biāo)分析

郭書文,王延琦,陳亞妮,賀軍,考希賓,萬紅,閆金海,孔巍,姬麗靜,郭孝文

(兵器工業(yè)衛(wèi)生研究所 中國兵器工業(yè)集團(tuán)人-機(jī)-環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065)

1 引言

心率變異性(heart rate variability，HRV)是近來比較受關(guān)注的無創(chuàng)性心電檢測項(xiàng)目之一，是度量心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)(autonomic nerve system，ANS)功能的一項(xiàng)有價(jià)值的指標(biāo)[1]。HRV指的是連續(xù)心跳之間瞬時(shí)心率的微小變化，即相鄰RR間期的細(xì)微漲落，反映了交感神經(jīng)、副交感神經(jīng)的張力以及兩者之間平衡的狀態(tài)。HRV可以定量測定ANS某一成分的變化即活性情況。醫(yī)學(xué)研究表明，心率變異信號中蘊(yùn)含著有關(guān)心血管調(diào)節(jié)的重要信息，對HRV進(jìn)行分析可以間接地定量評價(jià)心肌交感、迷走神經(jīng)緊張性和均衡性，而且還能分析ANS的活動(dòng)情況[8]。HRV與很多疾病尤其是心血管方面的疾病有著很大的關(guān)系，具有相當(dāng)廣泛而重要的臨床應(yīng)用價(jià)值[2]。

近年來，越來越多的研究將HRV應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域[3-4]、作業(yè)負(fù)荷[5-6]、精神疲勞和心理壓力[7-9]研究，也有用于情緒識別研究[10]、人格特征選拔[11]、高低溫環(huán)境以及高原低氧環(huán)境影響研究[12-14]、空氣污染影響研究[15]等，極大地拓寬了HRV的應(yīng)用領(lǐng)域，而且取得了一定的研究成果。本研究為尋求特種車輛乘員作業(yè)工效的評價(jià)指標(biāo)，建立作業(yè)工效評價(jià)體系，選取2016年10月至2017年7月分別在平原、高原地區(qū)作業(yè)的特種車輛乘員作為觀察人群，對不同地域下作業(yè)前后長時(shí)程動(dòng)態(tài)心電圖監(jiān)測下的各HRV指標(biāo)進(jìn)行了分析觀察。

2 方法

2.1 被試

選擇分別在廣西柳州、西藏拉薩、西藏羊八井地區(qū)(分別標(biāo)注為A、B、C地區(qū))，參加試驗(yàn)的特種車輛乘員作為被試，基本情況見表1。

表1 研究對象基本情況

2.2 數(shù)據(jù)的獲取

對參加作訓(xùn)試驗(yàn)的乘員作業(yè)過程的動(dòng)態(tài)心電進(jìn)行測量采集。試驗(yàn)主要儀器及測量方法：采用TLC5000型十二導(dǎo)動(dòng)態(tài)心電分析儀，試驗(yàn)前1小時(shí)穿戴，在試驗(yàn)結(jié)束10 min后停止測量。由于HRV相關(guān)指標(biāo)值的大小會因?yàn)榉治鰯?shù)據(jù)的長度而改變，不同長度的數(shù)據(jù)不能用于比較，同時(shí)受乘員作業(yè)試驗(yàn)時(shí)間的限制，無法進(jìn)行乘員24小時(shí)長時(shí)程動(dòng)態(tài)心電的測量，因此本研究采用長時(shí)程法進(jìn)行測量，測量時(shí)程不小于6小時(shí)，按1小時(shí)時(shí)程截取作業(yè)前、作業(yè)過程的HRV時(shí)域指標(biāo)和頻域指標(biāo)值進(jìn)行分析。

選擇的時(shí)域指標(biāo)包括：最大RR間期(maxRR)、平均RR間期(meanRR)、周期長度變異性(SDNN)、HRV三角指數(shù)(HRVindex)、相鄰RR間期差值均方根值(RMSSD)、相鄰RR間期差值大于50 ms的心搏個(gè)數(shù)占比(PNN50)，頻域指標(biāo)包括：極低頻功率(VLF)、超低頻功率(ULF)、低頻功率(LF)、高頻功率(HF)、平衡比(LF/HF)。

試驗(yàn)現(xiàn)場氣象條件：A地區(qū)，海拔90 m，大氣壓101.2 kPa，平均氣溫20-34℃，相對濕度52-60%，風(fēng)速0.5-3 m/s；B地區(qū)，海拔3640 m，大氣壓65.3kPa，平均氣溫7-26℃，相對濕度17-35%，風(fēng)速0.5-3 m/s；C地區(qū)，海拔4313 m，大氣壓64.8kPa，平均氣溫6-16℃，相對濕度21-27%，風(fēng)速3-5 m/s。

2.3 統(tǒng)計(jì)分析

3 結(jié)果

3.1 時(shí)域指標(biāo)測量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2可見，乘員作業(yè)過程中HRV時(shí)域指標(biāo)均有不同程度的降低(A組HRVindex、C組meanRR除外，但差異無顯著性，P>0.05)。A地區(qū)乘員作業(yè)過程maxRR(t=4.605，P<0.01)、RMSSD(t=3.334，P<0.01)、PNN50(t=2.960，P<0.01)與作業(yè)前相比均明顯降低，差異有顯著性；高原B地區(qū)乘員作業(yè)過程maxRR(t=4.418，P<0.01)、SDNN(t=3.445，P<0.01)、RMSSD(t=4.005，P<0.01)、PNN50(t=3.003，P<0.01)與作業(yè)前相比均明顯降低，差異有顯著性；高原C地區(qū)乘員作業(yè)過程與作業(yè)前相比，各項(xiàng)時(shí)域指標(biāo)隨均略有下降，但差異均無顯著性(P>0.05)。

表2 作業(yè)乘員HRV時(shí)域指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

不同地域作業(yè)前比較，與A地區(qū)組比較， B地區(qū)組maxRR(t=2.600，P<0.05)、C地區(qū)組(t=2.958，P<0.01)均明顯降低，差異有顯著性。其余指標(biāo)無顯著性差異(P>0.05)；不同地域作業(yè)過程中比較，與A地區(qū)組比較，B地區(qū)組maxRR(t=3.269，P<0.01)、SDNN(t=2.098，P<0.05)均明顯降低，差異有顯著性。其余指標(biāo)無顯著性差異(P>0.05)；各組作業(yè)前、作業(yè)過程及其組間對比meanRR、HRVindex指標(biāo)均無顯著性變化(P>0.05)。

3.2 頻域指標(biāo)測量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3可見，乘員作業(yè)過程中HRV頻域指標(biāo)ULF、VLF、LF、HF均有不同程度降低，LF/HF升高，其中：A地區(qū)乘員作業(yè)過程ULF(t=3.018，P<0.01)、LF(t=2.404，P<0.05)、HF(t=2.975，P<0.01)、LF/HF(t=-7.925，P<0.01)指標(biāo)較作業(yè)前差異有顯著性，高原B地區(qū)乘員ULF(t=2.458，P<0.05)、VLF(t=2.674，P<0.05)、LF(t=2.469，P<0.05)、HF(t=2.724，P<0.05)、LF/HF(t=-8.088，P<0.01)指標(biāo)差異有顯著性，C地區(qū)乘員僅LF/HF明顯升高，差異有顯著性(t=-2.921，P<0.05)。

表3 作業(yè)乘員HRV頻域指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

三個(gè)不同地域作業(yè)前比較，B組乘員較A組的VLF(t=-2.425，P<0.05)、LF/HF(t=2.126，P<0.05)指標(biāo)差異有顯著性，均明顯升高。C組較A組的HF、LF/HF指標(biāo)差異有顯著性，其中HF明顯降低(t=2.971，P<0.01)，LF/HF明顯升高(t=2.791，P<0.01)。B與C地區(qū)組間各項(xiàng)頻域指標(biāo)均無顯著性差異(P>0.05)；三個(gè)不同地域作業(yè)過程比較，B組較A組的LF/HF明顯升高，差異有顯著性(t=-2.338，P<0.05)，三組間其余指標(biāo)無顯著性差異(P>0.05)。

4 討論

時(shí)域分析法是對HRV的總體評價(jià)，其特點(diǎn)是計(jì)算簡單，能直觀地應(yīng)用于HRV檢測與分析[16-17]。本研究發(fā)現(xiàn)：與同一地區(qū)作業(yè)前相比，平原A地區(qū)、高原B地區(qū)乘員作業(yè)過程maxRR、RMSSD、PNN50指標(biāo)值均明顯降低，高原B地區(qū)乘員作業(yè)過程SDNN值也出現(xiàn)明顯降低。maxRR、SDNN值降低說明乘員作業(yè)過程中HRV整體水平發(fā)生改變，心率增加。RMSSD、PNN50值降低說明乘員作業(yè)過程中HRV中快速變化的成分減慢，迷走神經(jīng)對心率調(diào)控作用降低。高原C地區(qū)乘員作業(yè)過程中各項(xiàng)時(shí)域指標(biāo)與作業(yè)前相比變化不大，說明隨著海拔高度的升高、氧分壓降低，高原環(huán)境對乘員HRV水平產(chǎn)生了一定影響，這個(gè)影響甚至超過了高原作業(yè)本身；不同地域的三個(gè)作業(yè)前組間比較，B、C地區(qū)組maxRR值與A地區(qū)組比較均明顯降低，這可能同時(shí)與高原作業(yè)環(huán)境影響相關(guān)；不同地域的三個(gè)作業(yè)過程中組間比較，B地區(qū)組的maxRR、SDNN值較A地區(qū)組明顯降低，這說明高原環(huán)境作業(yè)對乘員HRV水平具有一定影響。

頻域分析法將隨機(jī)變化的RR間期或瞬時(shí)心率信號分解為多種不同能量的頻率成份進(jìn)行分析，可同時(shí)評估心臟交感和迷走神經(jīng)活動(dòng)水平，較好地反映ANS活性的變化情況[18]。本研究發(fā)現(xiàn)：同一地域下與作業(yè)前相比乘員作業(yè)過程ULF、VLF、LF、HF有不同程度降低，其中A、B地區(qū)乘員ULF、LF、HF明顯降低，B地區(qū)乘員VLF也明顯降低。作業(yè)前B地區(qū)組的VLF、C地區(qū)組的HF指標(biāo)均明顯高于A地區(qū)組。以上指標(biāo)沒有明顯的組間變化統(tǒng)一趨勢。而代表交感-副交感神經(jīng)均衡性的平衡比LF/HF卻表現(xiàn)出各組作業(yè)前、作業(yè)過程以及各組間的顯著差異：同一地域下與作業(yè)前相比乘員作業(yè)過程LF/HF明顯升高，三地區(qū)作業(yè)前乘員LF/HF隨著海拔高度增加而升高。

本研究中乘員作業(yè)過程中反映低頻功率的ULF、VLF、LF均有不同程度降低，其中A地區(qū)、高原B地區(qū)ULF、LF降低明顯，B地區(qū)乘員VLF也明顯降低。時(shí)域指標(biāo)SDNN也反映交感神經(jīng)張力大小，本研究發(fā)現(xiàn)平原A地區(qū)、高原B、C地區(qū)作業(yè)乘員SDNN較作業(yè)前降低，其中高原B地區(qū)降低明顯，表明乘員無論是在平原還是高原作業(yè)都會發(fā)生交感神經(jīng)活性的改變，而C地區(qū)組的反映低頻功率指標(biāo)均無顯著性改變，這種不明顯變化可能由于交感神經(jīng)系統(tǒng)屬于腎上腺素能神經(jīng)，其節(jié)后纖維釋放去甲狀腺素作用于心肌細(xì)胞，引起心率加快和輸出量的增加，而乘員作業(yè)訓(xùn)練能夠引起每搏輸出量的增加，在保證心輸出量的同時(shí)削弱了交感神經(jīng)對心臟的調(diào)節(jié)作用[18]。

副交感神經(jīng)屬于膽堿能神經(jīng)，通過迷走神經(jīng)節(jié)后纖維釋放乙酰膽堿作用于心肌細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)對心臟的調(diào)控，其活性通過心率變異性指標(biāo)中的頻域指標(biāo)HF和時(shí)域指標(biāo)RMSSD、PNN50來反映[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，平原A地區(qū)、高原B、C地區(qū)隨著海拔的升高乘員作業(yè)前HF、RMSSD、PNN50指標(biāo)均依次減小，而且C地區(qū)組顯著低于A地區(qū)組(P<0.01)。三組作業(yè)過程中RMSSD、PNN50、HF較作業(yè)前有不同程度降低，其中A、B地區(qū)組降低明顯(P<0.05)，說明乘員作業(yè)過程中HRV中快速變化的成分減慢，副交感神經(jīng)張力降低，迷走神經(jīng)對心率調(diào)控作用降低。

交感-副交感神經(jīng)均衡性通過LF/HF來反映。本研究顯示，平原A地區(qū)、高原B、C地區(qū)隨著海拔的升高乘員作業(yè)前LF/HF逐漸升高，而且B、C高原組LF/HF顯著高于平原A地區(qū)組(P<0.05)，這可能與高原低氧環(huán)境影響和習(xí)服有關(guān)，導(dǎo)致高原環(huán)境下乘員作業(yè)負(fù)荷明顯加大；乘員作業(yè)過程中無論在平原還是高原作業(yè)，乘員LF /HF都較作業(yè)前明顯升高。說明相較于LF的降低，HF降低幅度更為明顯。乘員作業(yè)作訓(xùn)使交感-副交感神經(jīng)均衡性向交感神經(jīng)張力增強(qiáng)的方向發(fā)展，副交感神經(jīng)系統(tǒng)在心臟調(diào)控作用下降，導(dǎo)致乘員作業(yè)中心率增加，從而導(dǎo)致乘員作業(yè)工效下降。

隆敏[19]等研究發(fā)現(xiàn)，模擬急進(jìn)高下受試人員LF、HF及TP呈先升高后下降趨勢，LF/HF呈逐漸升高趨勢，說明交感神經(jīng)、副交感神經(jīng)活動(dòng)較平原均顯著減弱，調(diào)節(jié)功能受到廣泛抑制，交感神經(jīng)相對占優(yōu)勢并逐漸增強(qiáng)。田開新[20]等對99名健康青年男性按AMS癥狀積分分組，比較空運(yùn)急進(jìn)高原前后ANS功能發(fā)現(xiàn)，受試者在急進(jìn)高原第l天AMS癥狀最嚴(yán)重，LF/HF隨AMS程度減輕而減少。AMS癥狀評分與平原時(shí)LF/HF正相關(guān)(r=0.437，P<0.01)。Loeppky[21]等也曾報(bào)道在模擬高原(低壓低氧)6小時(shí)后AMS組HRV顯示LF/HF增高，表明交感/副交感神經(jīng)的相對活動(dòng)在AMS發(fā)病中具有重要意義。Yamamoto[22]等對7名健康男性分別在海拔500米、1500米、2500米和3500米進(jìn)行亞極量功率車測試，發(fā)現(xiàn)在每個(gè)海拔高度時(shí)HR和交感神經(jīng)系統(tǒng)指標(biāo)均上升，副交感神經(jīng)系統(tǒng)指標(biāo)均下降，說明與海拔高度相比，亞極量運(yùn)動(dòng)對心臟自主神經(jīng)功能的影響起著主導(dǎo)作用。

由此可見，無論高原低氧環(huán)境還是運(yùn)動(dòng)作業(yè)狀態(tài)下，心率變異性都是較為敏感的指標(biāo)，由于高原低氧環(huán)境和/或運(yùn)動(dòng)作業(yè)，使機(jī)體副交感神經(jīng)活動(dòng)和交感神經(jīng)活動(dòng)性發(fā)生變化。本研究也表明在平原、不同海拔高度的高原地區(qū)作業(yè)乘員LF/HF出現(xiàn)明顯變化，LF/HF能夠?yàn)槌藛T作業(yè)工效的評估提供可量化指標(biāo)。

5 結(jié)論

本研究以在平原地區(qū)作業(yè)、海拔3650m和海拔4320m的高原地區(qū)作業(yè)的特種車輛乘員作為觀察人群，采集了作業(yè)前后長時(shí)程動(dòng)態(tài)心電信號，按1小時(shí)時(shí)程截取作業(yè)前、作業(yè)過程的HRV值，對不同地域環(huán)境下乘員作業(yè)前、作業(yè)過程中的時(shí)域指標(biāo)maxRR、meanRR、SDNN、HRVindex、RMSSD、PNN50和頻域指標(biāo)VLF、ULF、LF、HF、LF/HF值進(jìn)行了顯著性、相關(guān)性對比分析。結(jié)果表明，與作業(yè)前相比乘員作業(yè)過程中時(shí)域指標(biāo)maxRR、SDNN、RMSSD、PNN50和頻域指標(biāo)ULF、VLF、LF、HF均有不同程度降低，其中A、B兩個(gè)地區(qū)的maxRR、RMSSD、PNN50、ULF、LF、HF降低明顯，另外高原B地區(qū)的SDNN、VLF指標(biāo)也有明顯降低。而乘員作業(yè)過程LF/HF指標(biāo)卻較作業(yè)前明顯升高。表明作業(yè)負(fù)荷下乘員交感-副交感神經(jīng)均衡性向交感神經(jīng)張力增強(qiáng)的方向發(fā)展，副交感神經(jīng)系統(tǒng)的心臟調(diào)控作用下降，導(dǎo)致乘員作業(yè)中心率增加，乘員作業(yè)負(fù)荷增加、作業(yè)能力下降；隨著海拔高度的升高，乘員HF、RMSSD、PNN50指標(biāo)均依次減小，而且C地區(qū)組顯著低于A地區(qū)組，LF/HF隨著海拔的升高逐漸升高，而且B、C高原組顯著高于平原A組，表明高原低氧環(huán)境加大了乘員的心臟負(fù)荷，引起乘員副交感神經(jīng)張力降低，乘員作業(yè)負(fù)荷較平原作業(yè)更大。研究表明LF/HF指標(biāo)在三個(gè)組間和組內(nèi)作業(yè)前、作業(yè)過程中都有明顯變化，與乘員作業(yè)負(fù)荷、作業(yè)工效明顯相關(guān)，可以作為乘員作業(yè)工效評估指標(biāo)。