心率变异性测试技术在运动科学领域应用新进展

贺业恒

心率变异性测试技术在运动科学领域应用新进展

贺业恒1，2

（1.大连市体育科学研究所；2.大连市体育事业发展中心，辽宁 大连 116031）

在运动科学领域，自主神经功能测试主要通过心率变异性（HRV）测试来实现。但是心率变异性测量没有“金标准”，测试设备、测试方法及数据处理方法的不同均会导致研究结论差异较大。文章对HRV测试技术及应用进展进行综述，总结国内外HRV测试、分析的新方法，以期更好推动HRV指标在运动科学领域的应用。

心率变异性；测试技术；运动科学；进展

自主神经系统参与内分泌调节和物质能量代谢过程，是机体承受训练负荷的基础，也是运动性疲劳恢复的关键。在运动科学领域，自主神经功能测试主要通过心率变异性（HRV）测试来实现。近年来心率变异性测量已经越来越多被应用在运动实践中，但是心率变异性测量没有“金标准”，测量设备、测量环境、测试体位、测试时长、测量频率、测试数据的处理、HRV各指标及衍生指标的选取均有所不同，导致研究结论不同，本文总结心率变异性测试技术在运动科学领域应用进展，以期更好推动心率变异性指标的应用，为科学化训练提供依据。

1 心率变异性（HRV）相关概念

心脏自主神经的功能是心脏交感神经和心脏副交感神经协同作用的结果，其神经活性和平衡性可通过心率变异性分析来观察[1]。HRV分析将R-R间期量化，以此反映心脏自主神经功能和定量评估心脏交感神经及心脏迷走神经兴奋性及其平衡性[2]。HRV的具体表现是每个心动周期长短的不规则变化，这种变化即使是在心率相对稳定的状态下也同样存在[3]。

2 HRV的分析方法及各指标意义

HRV的分析方法可分为两大类：线性分析法和非线性分析法。线性分析法又可分为时域分析法和频域分析法；非线性分析法主要有散点图分析法、近似熵分析法、李雅普诺夫指数法等。

2.1 时域分析法及指标意义

时域分析法(time-domain analysis method)是对逐个心搏R-R间期按所采集的时间顺序进行排列，直接进行统计分析的方法。HRV时域指标的意义详见表1。

表1 HRV分析常用的时域指标及意义

指标单位测定方法生理意义反映内容 SDNNms窦性心搏RR间期平均值的标准差HRV的总和心率变异总的变化 SDANNms每5min RR间期平均值的标准差去除了HR中快速变化部分，反映HRV中缓慢变化的成分副交感神经活性 RMSSDms相邻RR间期差值的均方根相邻心动周期的变异，反映HRV快速变化成分副交感神经活性 PNN50%相邻RR间期差大于50ms的次数占总次数的百分比描述心动周期的逐次心搏变异，是HRV的快速变化成分副交感神经活性

2.2 频域分析法及指标意义

频域分析法（Frequency domain analysis methods）的分析过程是把心率信号分解成不同振幅、不同频率的正弦波之和。采用频域分析法可以定量的衡量交感神经和副交感神经的变化情况[1，4]。频域分析法各指标的意义详见表2[5]。

表2 HRV分析常用的频域指标及意义

指标频率（Hz）生理意义 总功率（TP）≤0.40反映测试时间内的HRV总和 高频功率（HF）0.15-0.40反映心迷走神经调节功能，与RMSSD及PNN50有关，与呼吸性心率不齐有关 低频功率（LF）0.04-0.15与压力感受器反射系统的活动有关，反映交感神经和迷走神经的复合调节功能，某些情况可反映交感神经系统调节功能 极低频功率（VLF）0.0033-0.04尚不够明确，与外周血管舒缩及肾素-血管紧张素系统活动有关，或者与心交感神经调节功能有关 超低频功率（ULF）≤0.0033反映人的昼夜周期节律和神经内分泌节律的影响，与SDNN/SDANN指数相关 LF/HF 反映心脏交感神经和迷走神经均衡性，与交感神经活性正相关 LF nu LF/（TP-VLF）x100 HF nu HF/（TP-VLF）x 100

2.3 非线性分析法

非线性分析法的理论基础是混沌学说理论和分形代数理论，目前的非线性分析法有建模法、散点图分析法等多种。

3 HRV测试设备的改进

随着当代科技的发展，近年来HRV测试工具也有所改进，以往HRV分析的R-R间期数据主要来源于24小时动态心电图（Holter）或心电图（ECG），应用此设备测得的数据准确，但对测试设备要求较高，并且相对繁琐，甚至需要专业人员操作。近年来随着对短时心电测量的需要，出现了一些方便测量R-R间期的工具，例如Omega Wave系统、polar心率表、ithleteTM设备等，均可有效记录R-R间期，部分设备甚至可以直接对采集到的数据进行处理，减少了数据分析过程，有利于直观评价受试者当前身体机能状态。部分设备已被应用到耐力项目的训练中，甚至可作为足球等团队运动项目的监测工具。如Flatt AA等[6]研究表明ECG和ithleteTM软件所测得RMSSD具有高度一致性，ithleteTM软件有利于运动员在晨起自行测量，减少了测试带来的不便，降低了赴实验室进行测试的体力活动对HRV的影响，也有助于节省测试时间。还有研究采用了其它方式获得HRV指标，如Peng RC等人[7]通过智能手机及软件photo plethysmo grams（PPG）获得HRV指标，16个心率变异性参数均可从PPG智能手机获得。统计结果表明，PPG获得的14个参数均与ECG获得的数据高度相关（r＞0.7，p＜0.001），其余指标也在可以接受的范围。Kamran H等[8]用电子听诊器测定HRV，通过电子听诊器进行数字化处理心脏的声音，同时记录2min单导联心电图。发现通过两者获取的HRV大多数的指标呈显著相关，其余指标均呈中度相关，提示电子听诊器有希望作为一种方便测定HRV的工具，在体育科学领域HRV测试工具的研发为HRV的广泛应用提供了便利。

4 HRV测试方法的改进

4.1 测试时机的选择

由于HRV指标会受到测试环境因素影响，如测试时候的噪音、光线、温度、湿度等，因此控制测试时的环境干扰因素十分必要。理论上夜晚睡眠期是HRV测试的最佳时机，因为人体处于睡眠状态可以避免光线、噪音的干扰，尤其是当受试者处于慢波睡眠阶段进行测试更好，因为慢波睡眠是人体的深睡眠状态，此时心率主要受心脏迷走神经控制，呼吸频率相对平稳，人体处于稳定状态[9]。有研究对成年男性进行研究，发现虽然受试者承受的训练负荷不同，但受试者夜间HRV无显著性差异，也有研究认为在运动员睡眠状态进行HRV测试可以有效评价运动员的睡眠质量[10]，但是这样的应用并不多，这主要是由于测试设备会影响运动员睡眠质量，实用性较差。当前测试HRV较理想的测试时间点是每日晨起，类似晨脉的测量方法。测量姿势仰卧位、坐姿和站立位均可采用，仰卧位测量有助于减少肌肉运动对心脏自主神经功能的影响，但是清晨仰卧位测量，运动员容易再次入睡。坐姿进行测试可以照顾到受试者测试时候的舒适度，也可以有效避免运动员入睡，对高水平的运动员尤其建议采用坐姿测量，因为坐姿测量可有效避免副交感神经受体饱和对HRV的影响[11]。坐姿测量一般选取有靠背的椅子，这样可以减少腰腹肌肉的紧张，降低对HRV的干扰。近年来也有研究采用站立位测试，甚至可以采用慢走的姿势测试。以往的研究中，为了避免干扰，测试常常采用仰卧位或坐姿进行测量，但在运动实践中因为运动员在运动前和运动后多处于热身或放松活动期间，运动状态为走步或慢跑。Boullosa DA等[12]研究慢走情况下进行HRV测试的可行性，因为运动后运动员往往采用慢跑或走路的方式进行积极性恢复，研究表明，在极量强度运动后采用慢走（4 km/h）的模式进行HRV指标测量是可行的，慢走状态下的HRV测试对于运动训练实践有较强的应用价值。Barak OF等[13]观察一次亚极量运动后受试者不同体位时HRV的差异，研究采用坐姿、平躺、平躺举腿三种姿势进行HRV测量，发现坐姿测得HRV低于平躺姿势及平躺举腿姿势。

晨起进行HRV测量具有以下优势：第一，每日晨起测量可以大致统一测试时间点，有效降低生物节律对HRV的影响，也可以降低频繁更换环境造成的生理、心理干扰；第二，晨起测量是在上一次运动后10-12小时以后，可以降低上一次运动负荷对心脏自主神经的急性影响，并且晨起测量是在当日运动训练之前，有利于结合测试的结果适当安排当日的训练；第三，对于中老年人群，早晨往往是心脑血管疾病的高发时期，通过HRV测试可以及早发现部分疾病的发病情况，降低运动风险[14]。

4.2 异常心率数据的处理

进行HRV分析之前，需要人工对R-R间期进行筛查，剔除、修正异常搏动，如心脏逸博、早搏或因测试工具接触不良造成的漏测等。有研究表明，连续5 min的心电测试结果会因为一次异常搏动的影响而使HRV部分指标升高50%，这对于HRV各指标的影响是巨大的，干扰研究的结果[14]，如图1和表3所示。

图1 心率变异性分析中异常心率的修正

表3 异常心率修正前和修正后对HRV各指标的影响

指标修正前修正后Δ（%） SDNN877122.5 RMSSD1208934.8 SD1856334.9 SD2907913.9 LF11781464-19.5 HF3512233450.5 LF/HF0.510.63-19.0

4.3 ln RMSSD指标的应用

时域分析法和频域分析法均是常用的HRV分析方法，这两种分析方法各具特点，虽然时域分析法并不能有效反映心脏交感神经功能，但目前仍然有越来越多的研究人员倾向于选择时域分析法，尤其是RMSSD指标，因为RMSSD指标反映的是心副交感神经功能，并且时域分析法可在较短的测试时间内（10秒-60秒）提取到数据。需要注意的是，部分HRV指标呈偏态分布，对数据进行自然对数转换（ln转换）可使数据呈正态分布。近年来ln RMSSD指标的应用越来越多，首先，ln RMSSD不受呼吸频率的影响，这完全不同于频域指标，因而有助于在非卧位，甚至非完全静止状态下进行测试[15]；其次，ln RMSSD反映的是心脏副交感神的功能，这对于健康和运动均有重要意义；另外，ln RMSSD指标在获得RMSSD指标后，通过excel计算即可获得，不需要额外的设备或软件。Pereira LA等[16]研究运动后1 min的ln RMSSD值与运动后5 min的测试结果的差异，认为差异是在可接受范围之内的，这就为短时程进行HRV测试提供了依据，不需要完全稳态以及缩短的测试时间更容易为教练和运动员所接受。在团队性运动项目中可同时对多人进行测试，使HRV的测试更方便、实用。为了减少乙酰胆碱受体饱和现象对HRV的影响，也有研究尝试采用ln RMSSD/RR比值来反映心迷走神经的调节功能，但乙酰胆碱受体饱和的现象研究往往发生在高水平的运动员当中，在中等以下运动水平及大众健身人群中比较少见。

4.4 重复测量方法的应用

早期关于HRV的研究多采用连续记录6 min心电图，然后从中截取5 min平稳状态的数据进行分析。近年的研究越来越趋向于采取重复测量的方法，认为用偶尔一次的测试结果去评价心脏自主神经功能仍有较大争议，一次测量的结果可能会受到多种因素的干扰，如运动员情绪的影响，也会受到测试环境的影响，这也是目前很多关于HRV的研究结论并不一致的原因。Plews D J等[17]提出每周7天晨起循环测量的方法，认为此方法比单日测量更可靠，重复测量的时间可由5 min缩短到1 min，甚至45s。也有学者就测量的频率问题进行了研究，Buchheit M[18]尝试采用每3-4周进行一次HRV测量的方法，结果发现运动表现良好阶段的HRV与表现不良阶段HRV只具有细微的差异，认为此测量频率局限性较大，需要更加频繁的测量才能更好反应运动员的自主神经功能状态。Flatt AA等[19]的研究表明，应用ln RMSSD平均值反映训练负荷，每周至少需要测试5次才能更好反映一周真实平均值。基于以上研究，认为每日重复测量HRV似乎更全面、更准确，一些干扰因素的影响可以通过重复测量来降低，目前普遍认为每周测试次数应不少于3-4次。

5 结语

通过HRV测试可有效反映自主神经功能状态，及时发现运动员的疲劳状况，以HRV诊断运动员的状态，可以根据运动员的状态积极寻找对策，有助于科学安排训练负荷，客观掌握运动员的心理波动，这均有利于运动表现的提高。

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New Progress in the Application of Heart Rate Variability Testing Technology in the Field of Sports Science

HE Yeheng

(Dalian Institute of Sports Science, Dalian 116031, Liaoning, China)

贺业恒（1980—），博士，副研究员，研究方向：运动员机能监控与运动营养。