心音信号遥测系统监测、评价心率与心力恢复趋势

吴　健　徐　飞　阮　哲　肖守中

摘要：目的：为了更全面的研究和评估心肌的变时、变力和变传导性。方法：随机抽取男性体育系学生(实验组，n=40)和普通大学生(对照组，n=30)完成规定运动量的台阶运动；记录运动后即刻5 min连续变化的心音振动信号。对采集的数据经过三次样条插值、均匀采样和小波变换滤波后得到平滑的心率和心力恢复趋势曲线，在此基础上提取出反映心率和心力恢复趋势的相关指标。结果：安静状态时与运动后实验组与对照组的恢复期的最大心率、心率恢复时间、心率恢复速率无显著性差异(p>0.05)，而运动后实验组与对照组之间心力恢复时间、心力恢复速率和心肌收缩能力储备指数都有显著的差异(p<0.001)。结论：大负荷运动量下动用的心力储备主要来自于心肌收缩力的储备而不是心率储备，而且运动员比普通人还具有更快的心肌收缩恢复能力，即具有更快的心力恢复速度。

关键词：心率恢复趋势；心力恢复趋势；心肌收缩力；心脏储备；无创方法

中图分类号：G804.2文献标识码：A文章编号：1007-3612(2008)06-0782-03

心肌具有变力性、变时性和变传导性，心率测试方便于评估心肌的变时性，但运动不仅改变心脏的变时性，更多的是影响心脏的变力性［1］；所以研究人员提出心力储备可作为评估心脏功能的重要指标，能反映心输出量随机体代谢的需要而增加的能力，其取决于心率储备和心肌收缩力储备［2］。但由于受测试技术和测试成本的限制，目前在运动医学领域对心力储备的日常测试仍侧重于心率储备［3］。Nigan(2005)关于心音和心肌收缩能力关系的有创和无创临床对照研究表明，第一心音(S1)幅值的大小与心肌收缩能力密切相关［3］，众多实验结果也证实第一心音幅值的变化能有效评估心肌收缩力储备［3-5］。因为运动能同时改变心肌的变力性和变时性，若能在运动员常规心功能测试和运动现场监测中加上心肌收缩能力的检测，将更有利于全面评估运动员的心脏功能。为更全面的研究和评价心肌的变时性和变力性，本实验对比了不同人群在定量负荷运动后心率和心力储备的变化情况，以期为应用心音图相关指标评价大众健身、监控运动训练、评价运动康复情况提供参考。

1研究对象与方法

1.1研究对象┰谥驹刚咧兴婊抽取40名体育学生作为实验组和30名普通大学生(皆为男性，年龄：17～25岁)作为对照组。实验组40名受试者包括3级运动员15名(皆为田径运动员)，2级运动员25名(5名体操运动员，20名田径运动员)，实验人员核查了对照组的运动能力，确保其无专业训练经历。测试在重庆师范大学体育学院和西南大学体育学院运动现场进行，测试时间统一安排在下午2：30-5:30。

1.2实验仪器及测试方法

1.2.1实验设备利用自行研制的心音信号遥测系统［６］，该系统的硬件组成包括射频发射机(RF TX)、射频接收机(RF RX)、打印机和IBM T43计算机(运行环境为WINDOWS XP操作系统)。

1.2.2信号采集心音信号量化分析的基本原理：1) 测量心音有关成分的幅度和时限，包括心动周期；2) 据测得的心音频谱图形转化为数据，通过仪器配套分析软件分析。测试系统对心音信号用8k Hz采样，量化精度为8 bit。通过胸电极采集心电信号，用自适应阈值检测电路提取R波同步脉冲标注在一个心动周期内的心音信号中S1的起始时刻，S1出现在R波后120 ms时间范围内，其峰值(S1的幅度)即为心力信号。本实验中采用第一心音幅值(S1)的变化趋势来量度心肌收缩力和评估心力储备［4,5,７-9］。由于胸壁厚薄存在个体差异的影响，所采集的心力信号强度的绝对值的价值和准确性都不高，本研究中主要采用相对值指标［7,8］。因心力信号分析过程中经多次处理，最后转换为用屏幕坐标作图，故单位被省略［7,9］。1.2.3运动模型由于运动能同时改变心脏变力性和变时性状态，本项实验采用本实验室自行开发并得到国际承认的动态心音图运动实验(PCGET)方法［4,5,10］。受试者在安静状态下平静呼吸，心音脉搏传感器置于心前区心尖搏动最明显处，记录心音图。然后嘱受试者完成既定负荷的运动：登台阶是PCGET的运动方式之一，要求受试者90 s内在23 cm高的台阶完成运动实验。完成本实验运动耗能约为7 000 J(属于大负荷运动)，按受试者体重计算出登台阶次数，受试者在规定时间内完成既定运动量时即为运动结束，运动后即刻连续记录恢复期5 min心音信号。

1.3测量数据的计算和统计分析为更好地揭示运动后心力与心率恢复趋势的规律，本实验采用了新的数据处理算法，对采集的数据经过三次样条插值、均匀采样和小波变换滤波后得到平滑的心力恢复趋势曲线和心率恢复趋势曲线［5,11,12］。在此基础上提取反映心力恢复趋势的有关指标：对心力数据系列进行差分运算，即按时间顺序计算每两个相邻心力数据间后一个数据与前一个数据的差值(DiffC)。因为台阶运动后心肌收缩力会从初始值的高指数不断衰减，当DiffC降到最低时，将该最低值记为DiffCmin；然后心肌收缩力恢复到一个相对的稳定状态。本实验中将运动后即刻至心肌收缩力恢复至一个相对稳定状态之间的时限定义为心力恢复时间(Cardiac Contractility Recovery Time, CCRT)；DiffCmin/CCRT定义为心力恢复速率(Cardiac Contractility Recovery Rate, CCRR)。

采用同样算法也得到心率恢复趋势的有关指数，其中HRRT(Heart Rate Recovery Time)表示心率恢复时间；Diff HRmin/HRRT定义为心率恢复速率(Heart Rate Recovery Rate, HRRR)。同时将心率恢复期的最大心率记为HRmax，恢复到相对稳态时的心率记为HRrec。

数据用均数±标准差(X±SD表示)，心率和心力恢复趋势有关指标的组间比较采用独立样本t检验(independent-samples t-test)。

2结果与分析

お2.1运动后心率恢复趋势的变化利用自行研制的心音信号遥测设备，采集实验组和对照组受试者经既定运动量的台阶运动后5 min内连续变化的心力数据和心率数据。通过小波变换滤波后得到实验组和对照组运动后5 min的平滑心率恢复曲线，从心率恢复曲线来看，实验组和对照组皆呈急性下降趋势，且在实验后50 s时有短暂停顿，随后下降趋势减缓(图1)。

实验组和对照组受试者运动后恢复期的心率恢复趋势相关指标见表1。实验组和对照组的心率在安静时刻、全运动量下最高心率和运动后相对稳定期的心率都皆无显著性差异(P>0.05)，其心率恢复时间和恢复速率也无显著性差异(P>0.05)。

2.2运动后心力恢复趋势的变化通过同样方法测得受试者运动后恢复期的心力恢复趋势曲线(图2)。

实验组和对照组受试者运动后恢复期的心力恢复趋势相关指标变化见表2。实验组和对照组在全运动量后其心肌收缩力的恢复时间和恢复速率上都有显著性差异(P<0.01)，表现为实验组心力恢复时间、心力恢复速率和心肌收缩能力储备指数都显著优于对照组的普通大学生受试者。

3讨论

お

由表1可知，实验组和对照组的心率在安静时刻、全运动量下最高心率和运动后相对稳定期的、心率恢复时间和恢复速率心率皆无显著性差异(P>0.05)。提示不同人群在既定负荷运动时动用的心力储备主要来自于心肌收缩力的储备而不是心率储备。本实验室前期研究成果表明，体育系学生和普通大学生安静时CCRI有显著性差异，而HRRI无显著性差异［10,8］。也证实了这一点。研究结果提示在训练时，应更多的关注受试者心力储备情况以及探索提高运动员心力储备而非心率储备的有效训练方法。

由图2和表2可知，实验组在全运动量后其心力恢复时间、心力恢复速率和心肌收缩能力储备指数都显著优于对照组(P<0.01)，说明有训练经历者比普通人具有更快的心肌收缩恢复能力，即具有更快的心力恢复速率。这为运动训练、比赛的监控和评价提供了新的方法和探索性思路。由于运动现场监控生理负荷和恢复情况多采用心率储备的方法，由于心率在运动训练多重应激情况下易波动，不能真实反映出受试者生理恢复和心脏对负荷的承受能力［9,13］，所以探索有效的评价运动员心功能的方法、开发出可靠的无创测量设备就具有重要的现实意义和应用价值。我们的前期实验发现国家健将级运动员和一级运动员在全运动量下的心率和心力储备呈现同样的趋势［7,9］。实验结果说明，本项研究所采用的测量仪器测量一致性较好，结果可靠；且实验结果能从专业运动员外推到普通受试者，这为准确、无损伤评价运动员和锻炼人群的心力收缩储备提供了可靠方法。

心脏很大程度上受自主神经活性调节，运动员和锻炼人群的自主神经系统活性和调节能力一直备受生理学家关注。从实验组和对照组受试者心率和心力恢复趋势来看(见图1、图2)，都表现为三个阶段：初始阶段是持续时间较短的快速恢复期，可能由于在大负荷运动刚结束时自主神经系统中副交感神经的活动占优势；而随后进入一个持续时间较长的慢恢复期，可能是由于副交感神经的活性逐渐降低而交感神经活性逐渐恢复；最后进入一个轻微波动的相对稳态期，推测此阶段是副交感神经与交感神经活性处于相对平衡状态。而心音信号反映的是心动周期中，心肌收缩、瓣膜开闭、血流对心血管壁的冲击以及血流的涡流等引起的震动的情况［3］。而心力与心率恢复时间之间存在的显著性差异表明心肌的变力性除了受自主神经系统的控制外，还可能与心肌自身作为富有弹性的肌肉组织特性有关。无论实验组还是对照组，其CCRI指数都高出HRRI指数2倍以上［8］，这同样说明在大强度、大负荷运动中，心力储备主要是依靠心肌收缩力的储备而不是心率储备。实验组CCRI CCRR显著高于对照组(p<0.01)，这意味着长期运动训练提高心脏功能不仅体现在具有更大的心肌收缩力储备，而且还具有更快的心肌收缩力的恢复速度［1,12］。

在心室收缩的等容收缩期(isovolumic contraction phase)，心房收缩结束后，心室开始收缩，室内压迅速升高。当室内压超过房内压时，推动房室瓣关闭，组织血液返流入心房。房室瓣的关闭产生第一心音(S1)，其是心室收缩期开始的标志。此时室内压尚低于主动脉压，半月瓣仍处于关闭状态，心室成为一个封闭的腔。由于血液的不可压缩性，尽管心室肌强烈收缩，室内压急剧升高，但心室的容积不变［1］。本实验发现实验组大运动量心力相关指标显著高于对照组(表2)，结果提示在对运动员和/或锻炼人群的心脏功能进行日常测试时，除了心率指标外，还应把心肌收缩力储备以及心肌收缩力恢复速度等指标作为参考，以期作出更为全面准确的评价。但必须注意的是，影响第一心音幅值的因素较多，如传感器放置位置、检查者对传感器的所施压力的大小，受试者的年龄、胸壁的厚薄、生理和病理状态、情绪变化，同一受试者的不同体位、呼吸时相和深度，心率和心律的变化、瓣膜疾病、心脏前后负荷的变化等［1,3,7,8］。所以心音信号的记录、测量和分析是较为复杂的诊断技术，在应用于运动实践时必须考虑控制无关影响因素，最好由专业人员进行操作，以保证测试结果的准确性。

4结论

お

1) 大负荷运动量下动用的心力储备主要来自于心肌收缩力的储备而不是心率储备，而且运动员比普通人还具有更快的心肌收缩恢复能力，即具有更快的心力恢复速度。提示运动训练时应更多关注受试者心力储备情况以及探索提高运动员心力储备而非心率储备的有效训练方法。

2) 应用无创的心音遥测系统能更全面、准确的评估运动员心肌收缩能力和心力储备，也能为锻炼人群提供客观量化的评价指标，具有可观的现实意义和应用价值。

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