运动员心功能评估新方法和新指标的研究＊

郭兴明,杨 勇,肖守中,谢梅兰,吴文竹

(重庆大学生物工程学院,重庆市医疗电子工程技术研究中心,重庆400030)

运动员心功能评估新方法和新指标的研究＊

郭兴明△,杨 勇,肖守中,谢梅兰,吴文竹

(重庆大学生物工程学院,重庆市医疗电子工程技术研究中心,重庆400030)

目的:探讨无创检测和评估心功能的新指标和新方法。方法:随机抽取81名体育系学生(实验组,n=81)和41名普通系学生(对照组,n=41),完成规定运动量的台阶运动后,通过采集心音信号,进行了心率,D/S比值以及S1/S2比值的对照研究。结果:在静息状态下,体育系学生的心率为66.2±8.7,D/S比值为2.04±0.33;普通系学生的心率为70.8±8.0,D/S比值为1.82±0.27;在全运动量下,体育系学生的S1/S2比值为7.34±4.04;普通系学生的S1/S2比值为5.22±2.38。结论:体育系学生比普通系学生具有较高水平的心脏储备。该方法可用来评估运动员与一般人的心脏储备,为运动员选拔以及一般人体质评估提供一种客观量化的新指标。

D/S比值;S1/S2比值;心脏储备;运动心力监测仪

自从临床学家Heschen于1899年提出运动员心脏(the athlete’s heart)的概念以来,运动引起心脏结构与功能改变及调节机制等方面的研究,一直是众多学者们探讨的热点问题。运动能力与生存率密切相关。2002年3月14日《新英格兰医学杂志》的一篇报告[1]表明,运动能力每增加一个代谢当量(metabolic equivalent,MET),可使生存率提高12%。但代谢当量的测定复杂,难于推广。运动能力的重要基础是心脏储备。心脏储备(cardiac reserve,CR)是心脏功能的上调能力,将在心脏状态的动态变化中表现出来。它包括心率储备、舒张期储备和收缩期储备等。当人体内外环境发生变化时,心脏本身的状态也会发生变化,动用心脏储备,以适应所发生的环境变化。因此,心脏储备量的大小及提高程度是衡量运动水平及运动潜力的重要指标。然而,目前在心脏储备测评方面,主要注意了心率储备,至今没有一种既具有无创、简便、快速、费用低等特点,又能客观量化地反映心脏储备的方法。所以,运动员心功能检测和评估方法的研究十分重要。本文采用运动心力监测仪,记录运动员心音图,测量第一心音幅值(S1)、第二心音幅值(S2)、心动周期、心脏舒张期(D)和心脏收缩期(S)时限等心脏储备指标,旨在寻找一种能够无创、定量评价运动员心脏储备的新指标和新方法。

1 材料与方法

1.1 研究对象

实验组为81名体育系不同专项的学生,其中男生59名,女生22名。81名体育系学生全部是一、二、三级运动员,其中一级运动员9名,二级运动员50名,三级运动员22名。平均年龄(21.0±1.8)岁,平均身高(174.5±7.6)cm,平均体重(64.2±9.7)kg;对照组为41名普通系的学生,其中男生29名,女生12名。平均年龄(23.9±2.0)岁,平均身高(168.0±7.2)cm,平均体重(57.0±8.1)kg。全部受试学生身体健康,无心血管病史。

1.2 仪器

应用重庆博精医学信息研究所研制的“运动心力监测仪”进行该项研究。该系统的硬件组成包括心音脉搏传感器、CCM信号采集器、计算机,所采用硬件的频带为30～800 Hz。心力信号处理软件用Visual Basic,VC++写成,其运行环境为WINDOWS操作系统。

1.3 研究方法

提前通知受试者在测试前不能进行剧烈运动,等受试者进入研究室后先静坐片刻,规定待心率低于90 beats/min,且心理状态稳定后方开始实验。由于运动负荷能同时改变心脏变力性和变时性状态,在研究中采用心音图运动试验(phonocardiogram exercise testing,PCGET)[2]方法。

1.4 运动实验的方法

采用心音图运动试验(PCGET)方法,其精密度和准确度已作初步分析[3]。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。然后嘱受试者完成规定的运动。登梯是PCGET的运动方式之一。用23 cm高的心力台阶进行运动试验。PCGET运动负荷的方案有多种,运动水平按受试者的心血管最初评估决定,全运动量约定为7000J,按受试者体重计算出登梯次数,往复上下台阶。运动试验的终点是症状的限制(心悸,呼吸困难)或者完成规定的运动量。运动后立刻记录心音图。

1.5 研究指标

运动后即刻第一心音幅值(S1),运动后即刻第二心音幅值(S2),舒张期时限(D),收缩期时限(S),心率(HR),分别计算S1/S2比值和D/S比值。

1.6 统计学处理

实验数据用EVIEW统计软件进行统计学处理,用均值±标准差(±s)表示。两样本均数的比较采用独立样本t检验。

2 结果

81名体育系学生静息状态下HR的值为(66.2±8.7),41名普通系学生静息状态下HR的值为(70.8±8.0),两组值之间存在着非常显著的差异(表1)。

Tab.1 Comparison of heart rate of different subjects(beats/min,±s)

Tab.1 Comparison of heart rate of different subjects(beats/min,±s)

HR:Heart rate＊＊P＜ 0.01vsthe students of the physical education department

The studentsof the physical education department 81 66.2±8.7 Subjects n HR in resting state The students of other departments 41 70.8±8.0＊＊

81名体育系学生静息状态下D/S比值为(2.04±0.33),41名普通系学生静息状态下D/S比值为(1.82±0.27),两组值之间存在着非常显著的差异(表2)。

Tab.2 Comparison of D/S ratio of different subjects(±s)

Tab.2 Comparison of D/S ratio of different subjects(±s)

＊＊P＜ 0.01vsthe students of the physical education department

Subjects n D/S The studentsof the physical education department 81 2.04±0.33 The students of other departments 41 1.82±0.27＊＊

心音图运动试验(PCGET)后,即刻的 S1/S2比值体育系学生普遍大于普通系学生,81名体育系学生运动即刻后的S1/S2比值为(7.34±4.04);41名普通系学生运动即刻后的S1/S2比值为(5.22±2.38)。经统计分析两组值之间存在着非常显著的差异(表3)。

Tab.3 Comparison of S1/S2 ratio of different subjects(±s)

Tab.3 Comparison of S1/S2 ratio of different subjects(±s)

＊＊P＜ 0.01vsthe students of the physical education department

Subjects n Exercise to largest extent The students of the physical education department 81 7.34±4.04 The students of other departments 41 5.22±2.38＊＊

3 讨论

目前,国内外关于心脏功能的评估手段和方法主要有心电图检查、心导管检查、超声心动图等。其中,心电图检查是心脏变时性和变传导性的最佳监测方法,但不能用来监测心脏的变力性。心导管检查测定心功能虽客观、量化,但属于有创伤检查;超声心动图能通过对心腔直径从舒张期到收缩期的变化程度和速度以及射血分数的测算来评估心肌的功能状态,但某些指标敏感性较差(例如,Carabello在Circulation杂志[4]对理想的心肌收缩能力的指标提出了5个要求:对心力变化敏感,对负荷独立,对心脏大小和质量独立,易于应用和安全,证明能用于临床条件,Carabello指出,射血分数指标易于应用,但敏感性差);放射性核素心血池显影的敏感性、特异性都高,但检查费用昂贵,难以推广。于是,国内外的学者开始探索无创、敏感性高、价格低廉且能检测心脏变力性的方法。

国际上关于心音和心肌收缩能力关系的研究为解决上述问题暗示了一条途径。Rice和Doyle经过若干次的实验认为,第一心音的幅值是心肌收缩力的标准量度,并在手术室用心音仪监测麻醉药对心肌收缩力的影响。结果表明,第一心音幅值的大小与心肌收缩能力强弱密切相关,可以用第一心音幅值的变化趋势来评估心脏储备,心脏耐力。例如,Hansen等[5]选择dp/dt指标利用6只狗研究了麻醉剂和强心剂对第一心音幅值和心肌收缩力的影响。结果表明,第一心音幅值的变化与左心室压力上升最大速率的变化成正相关(r=0.9551,P＜0.01)。肖守中等1998年提出用相对值法来建立心音幅值参数,并提出了用D/S比值来衡量心脏自身供血时限是否充足。D/S比值是心脏舒张期时限与收缩期时限的比值。由于心脏自身供血主要实现于舒张期(Abe[6]简要地说明了心肌血液灌注的这个重要机制:冠脉血流主要出现在每个心动周期的舒张时相),故用该指标来评估舒张期心脏自身供血时间是否充足。若舒张期时限较长,心脏自身供血时间充足,就能为心脏在收缩期的工作储备更多的养料和氧气,此时,心肌收缩力强;若舒张期时限太短,心室充盈不足,心输出量低下,心脏自身供血不足,心肌收缩力便会减弱,并可能引起心肌损伤,甚至导致心源性死亡。由此可见,舒张期时限与收缩期时限的比值可以看作心脏储备的一个指标。临床实践表明,D/S比值是心脏状态的一个非常重要的指标。

由于第一心音反映心肌收缩的强弱和房室瓣的功能状态。如果S1幅值高,则反映心肌收缩有力;相反S1幅值较低,则反映心肌收缩较弱。第二心音的强弱反映了动脉血压的高低及半月瓣的机能状态。由于影响第二心音的强度主要是循环阻力的大小。所以,当体循环阻力增高,循环血流量增多时,主动脉压高,主动脉瓣关闭有力,主动脉瓣区第二音亢进,可向心尖部传导,故心尖部的第二心音主要是主动脉瓣成分。所以,如果S2幅值高则反映循环阻力大;相反,S2幅值低则反映循环阻力小。由此可见,S1/S2比值反映了整个心脏循环系统功能的强弱。若S1/S2比值大,则说明循环系统的功能强;S1/S2比值小,则说明循环系统的功能弱。S1/S2比值可以作为衡量心脏循环功能的一个新指标。

本次研究表明,体育系学生的D/S比值非常显著的高于普通系学生。这主要是由于,长期的系统训练使体育系学生心脏舒张期时限延长,供血时间更充足,能为心脏在收缩期的工作储备更多的养料和氧气,使心肌收缩能力增强。体育系学生的S1/S2比值也非常显著的高于普通系学生。这主要是由于,经常进行体育锻炼使心肌收缩更加有力,体循环阻力更小,心脏循环系统的功能更强。因此,采用“运动心力监测仪”对心脏D/S比值和S1/S2比值的测试,为运动员选拔和科学训练提供了一种客观量化的新指标,并为运动员及一般人进行心脏储备的评估提供了一种新方法。

影响第一心音幅值大小的因素很多。例如环境噪声,传感器的放置位置、移位及其与接触物的摩擦声,检查者对传感器的所施压力的轻重,不同受试者的性别、年龄、胸壁的厚薄、生理和病理状态、情绪,同一受试者的不同体位、呼吸时相和深度、心率与心律的变化、瓣膜疾病、P-R间期长短、心脏前后负荷的变化等等。可见,心音信号的记录、测量和分析是一项复杂和困难的诊断技术。这一方面说明了心音信号量化分析的复杂性。同时,也提醒我们在应用这一方法前,必须统一测量和评估标准,检查者必须经过必要的训练,受试者在测试中须进行必要的配合。

可以预期,基于现代信息科技的心音信号的心功能无创检测以及新指标的应用对人体体质评价,运动员选材起着重要的桥梁作用,甚至还可以作为一种新的体育运动科研和教学工具。

另外,本次调研中发现有部分学生在静息状态下并没有第三心音出现,但当运动后则出现了第三心音,这说明运动引起心脏负荷的加重,可能会导致第三心音的产生。

[1]Myers J,Prakash M,Froelicher V,et al.Exercise capacity and mortality among men referred for exercise testing[J].N Engl J Med,2002,346(11):793-801.

[2]Xiao Y H,Xiao S Z,Cao Z H,et al.The phonocardiogram exercise test[J].IEEE Engineering in Med and Biol Maga-zine,1999,18(4):111-115.

[3]刘国传,肖守中,靳 平,等.心音图运动试验的精密度和准确度的分析[J].生物医学工程学杂志,2000,17(3):305-308.

[4]Carabello B A.Evolution of the study of left ventricular function:everythingold is new again[J].Circulation,2002,105(23):2701-2703.

[5]Hansen P B,Luisada A A,Miletich D J,et al.Phonocardiography as a monitor of cardiac performance during anesthesia[J].Anesth Analg,1989,68(3):385-387.

[6]Abe M,T omiyama H,Y oshida H,et al.Diastolic fractional flow reserve to assess the functional severity of moderate coronary artery stenoses:comparison with fractional flow reserve and coronary flow velocity reserve[J].Circulation,2000,102(19):2365-2370.

Research on a new method and index for evaluating cardiac function of the athletes

GUO Xing-ming,Y ANG Y ong,XIAO Shou-zhong,XIE Mei-lan,WU Wen-zhu
(College of Bioengineering Chongqing University,Chongqing Engineering Research Center for Medical Electronics Technology,Chongqing 400030,China)

Objective:T o explore the new indexes and new methodsfor the noninvasive measuring and evaluating cardiac function detectionof the athletes.Methods:Heart sound signals were sampled randomly from 81 students in physical education department(experiment group)and 41 students in general departments(control group)after completing designed workload during step-climbing exercise,the contrast study on heart rate,D/S ratio as well as the S1/S2 ratio of studentsfrom physical education and general department has been conducted.Results:In the resting state,the physical education department students’heart rate and D/S ratio was 66±8.7 and 2.04±0.33 respectively;general department students’heart rate and D/S ratio was 71±8.0 and 1.82±0.27 respectively.In the whole exercise,the physical education department students S1/S2 ratio was 7.34±4.04;general department students S1/S2 ratio was 5.22±2.38.Conclusion:Studentsfrom physical education department have higher level of cardiac reserve than that of studentsfrom general department.The method can evaluate cardiac reserve for athletes and general persons,and provide a new quantity evaluation indexfor selecting athletes and evaluating cardiac function of general persons.

D/S Ratio; S1/S2 ratio; cardiac reserve; cardiac contractility monitor

G804.2

A

1000-6834(2010)03-380-04

国家自然科学基金资助项目(30770551);重庆市新型医疗器械重大科技专项(CSTC,2008AC5103)

2009-03-23

2010-03-22

△【通讯作者】Tel:(023)65112676;E-mail:guoxm@cqu.edu.cn