人体心率变异性和压力反射敏感性分析实验
实验方法原理 人体心血管、胃肠道、支气管、汗腺以及胰岛、甲状腺、肾上腺等内分泌腺体功能均受自主神经的调节。许多疾病可造成自主神经的损害和功能失调，而自主神经的损害和功能失调又是许多疾病的发生原因之一。过去一直认为整齐的心律是健康心脏的指标之一，但现在认识到绝对整齐的心律是病态的。临床研究证实冠心病、心绞痛、心肌梗死、心脏性猝死、充血性心衰、尿毒症等患者心率变异性（Heart Rate Variability, HRV）明显低于正常人，心梗后心律失常事件及心源性死亡率与HRV降低程度显著相关。HRV与心功能、晚电位、电生理检查等组合可大大提高对心梗患者近期和远期危险分层的可靠性。
近十余年来，压力反射敏感性（Baroreflex Sensitivity, BRS）分析在心血管疾病研究方面的应用也日益广泛。
压力反射系统是心血管系统调节的重要部分，其中迷走神经和交感神经对心脏、血管的影响尤为重要。压力感受器主要存在于颈动脉窦和主动脉弓，当压力较高时刺激压力感受器，增加副交感张力、降低交感张力，而导致心率、心指数的降低和血管扩张，最终使血压下降到正常范围。这种调整径路的有效性，即压力反射敏感性，可通过心率变化来了解。尽管自主神经系统的两种成分均影响心率，但压力反射敏感性主要反映副交感神经的反射能力。
提取一定时段的心电RRI（R波间期，R-R Interval）和对应的动脉血压（收缩压、舒张压或平均压），并对RRI和BP数字序列作时域和频域分析，可求得它们的均方差（TV）、标准差（SD）、功率谱密度（PSD）、低频成分（LF）、高频成分（HF）、高低频之比（LF/HF）以及两者的相关函数（Coherence）和压力反射敏感性（BRS）等参数。
对于功率谱分析，比较一致的观点是：功率谱密度曲线中0.25Hz （约4次心跳一个周期）左右的高频成分与副交感神经有关（主要与呼吸运动有关），而0.1Hz（约10次心跳一个周期）左右的低频成分则与交感及副交感神经均有关。近来Lumbardi等在动物实验中观察到心交感神经具有与LF相同的发放变异，故认为LF主要与交感活动有关。LF/HF反映了交感神经和迷走神经的调节平衡，正常人安静时降低，应激时升高。
HRV和BRS分析为检查自主神经的调节功能和中枢整合功能提供了一种非创伤性的方法，除了可用来检查冠心病、糖尿病、肾衰竭等疾病患者自主神经的损害程度外，还可用于评判疲劳、衰老的程度，在专业择员和老年病防治等方面均有较大用途。
一、 HRV和BRS分析方法
R-R间期（RRI）和动脉收缩压（SBP）的检测方法见图22-11。程序根据心电信号的变化率和时程自动检测心动间期，并将各心动周期内的最大值,即收缩压检测出来，由此得到两两对应的RRI和BP数字序列。
二、 常用的分析方法和主要参数
1. 时域 分析(time-domain analysis, TDA)
（1） 简易测量法。利用最长RRI和最短RRI的差来作为HRV的指标。如用于胎儿心率的研究。
（2） RRI的方差和标准差（Standard deviation, SD)。RRI数据一般为256个或512个, 也可以长达24小时。正常人24小时SD通常>50ms。
（3） SD的变异系数 (Coefficient of variation , CV) CV可排除被测者固有心率的差异, 增加可比性。
（4） R-R间期跳跃指数 求出相邻RRI的差值, 按每小时计算出超过某一预定值(一般50ms)的RRI频数, 并绘制曲线, 曲线波动代表迷走神经活动。
（5） HRV指数 某一时间内RRI总数目/占比例最大的RRI的数目。正常人通常大于25。
2. 频域分析(frequency-domain analysis, FDA)
采用快速富立叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）或自回归模型（Autoregressive, AR), 求出功率谱密度（Power Spectral Density, PSD), 继而计算出各频率成分的绝对值和标准化单位。
自回归模型（AR）较之FFT算法具有较高的分辨率, 自回归模型（AR）有Burg、Marple等递推算法。
（1） 功率谱密度的幅值单位
功率谱密度的单位为ms2/（Cycle/Beat，c/b）或ms2/Hz。其标准化单位（Normalized Unit , NU）根据以下公式求得：
LF（NU） = LF（绝对值） / ( PSD曲线总面积－DC ) × 100
HF（NU） = HF（绝对值） / ( PSD曲线总面积－DC ) × 100
式中DC为频谱中的直流成分。
（2） 功率谱密度的频率单位
功率谱密度的频率单位为Cycle/Beat，用下式可将其单位转换成Hz（次/秒）。
F（Hz）= 1000 × F（Cycle/Beat) / PPImean（RRI的均值）
（3） LF和HF的划分
低频（0.03～0.1 Cycle/Beat），中频（0.1～0.2 Cycle/Beat），高频（0.25 Cycle/Beat左右，根据呼吸频率决定）。
3. 其他观察方法
（1）直方图 求出TV、10%TV、50%TV等。
（2） 相平面图（轨迹图）。
图22-12为RRI 和HRV的分析曲线图。
三、 健康人安静时TV和LF/HF正常值调查结果
调查发现，幼儿期至30来岁的健康人安静时HRV参数随年龄呈缓慢变化的过程，40岁以后的健康人安静时的HRV参数也随年龄呈缓慢变化的过程。
实验材料 人体
仪器、耗材 生物信号处理系统“HRV和BRS分析”软件
实验步骤
1. 开启生物信号处理系统，心电图导联线连接到第一通道，脉搏换能器连接到第二通道。
2. 被试者取仰卧位，清洁心电图电极板接触处皮肤，导联线的接地端接被试者右下肢，两个记录端分别接左上肢和右上肢。脉搏换能器安放在桡动脉搏动处，固定束带、调节好松紧。
3. 运行“HRV和BRS分析”软件，在采样界面观察心电和脉搏波形。设置好放大器时间常数和高频滤波，根据波形大小调节放大器增益。如R波与其他波群在幅度上区别不大，可改变心电导联。
放大器参数设置如下：
时间常数：心电2s～0.2s，脉搏DC～2s。
高频滤波：心电和脉搏均取300～500Hz。
增益：心电1000～5000倍，脉搏100～400倍。
4. 被试者安静休息10～20min，保持呼吸平稳，不能闭眼睡觉。用水银血压计测量被试者血压，调用程序“定标”功能，在定标对话框内输入测得的收缩压和舒张压，使脉搏波幅度得到定标。
5. 记录一段信号，信号长度一般为256～4096个心动周期，根据实验需要设定。
6. 稍事休息后，让被试者做心算，或给予冷刺激（手指浸入冷水中），再记录一段信号。
7. 分析HRV和BRS
注意事项
1. 测量前数小时不能服用镇静药，测量前1小时内不饮用兴奋性饮料。
2. 若使用冷水浸泡手指作为刺激方法，冷水的温度应控制在4℃左右。
3. 测试过程中，被试者应保持放松，以避免肌电干扰；安放脉搏换能器的手腕应保持稳定，以防因束缚力的变化而造成压力误差。
4. 测试环境应保持安静，室温在25℃左右为宜。
