低温环境下心率变异性分析研究*

朱宏亮，韩兆星，余松林，胡祝强，王慧泉△

(1.天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300100；2.中国矿业大学 资源与安全工程学院，北京 100083； 3.天津计量监督检测科学研究院，天津 300192)

1 引 言

低温作业在我国众多领域均有涉及，国家标准GB/T14440-1993《低温作业分级》规定，作业人员在生产劳动过程中，其工作地点平均气温等于或低于5℃的作业即为低温作业,按工作地点的温度和低温作业时间率，可将低温作业分为四级，级别越高环境越恶劣[1-3]。尽管在低温作业环境下有足够保暖的衣服，但作业人员身体仍有裸露部分，受冷后均会对人体产生局部性或全身性冷感，且长时间在低温下暴露会影响脑功能，使注意力不集中，对心血管系统也有所影响[1]。因此，本研究通过模拟低温作业人员在低温环境下的心电来进行分析，旨在为低温作业人员提供安全保障，及时预警，提高作业效率。

2 实验研究

2.1 实验环境及实验对象

本实验选用多因素复合环境实验舱作为实验环境，该舱温度控制在-50℃～60℃，相对湿度控制在10%～90%，最大风速可达30 m/s。另外，根据全国主要城市低温分布数据(见表1)，将实验环境定在-10℃。

为了更好模拟应急救援人员，本实验样本选取3名身体健康、无冻伤史的男性志愿者，年龄23～25周岁，身高(173.2±3.5)cm，体重(65.7±8.5)kg。平时体育训练水平一般，无心血管疾病，无心率异常。实验前不剧烈运动，不饮酒，不喝咖啡，未服用对心血管系统有影响的药物。

表1 全国主要城市综合温度Table 1 Comprehensive temperature of major cities in China

注：中央气象台1951～1980年气象资料统计。

2.2 实验方法

使用采样率为256 Hz的EQ02 life monitor背带式心电设备同时采集3名受试者心电信息。首先由工程师将舱内的温度设定在-10℃，待3名受试者佩戴好设备，穿好衣服，戴好帽子，但是不带手套，常温检测10 min心电。然后3名受试者从常温下进入-10℃模拟舱，每10 min测试一次心电，记录并保存数据。40 min后出舱开始缓和20 min，缓和期间对3名受试者每10 min检测一次心电，缓和后再对受试者进行10 min心电检测，查看恢复情况。实验后对进舱前、低温下和缓和期间的心电进行时域、频域和非线性分析。

2.3 分析方法

2.3.1 时域分析 HRV时域分析为心脏和心血管生理状况的评估和预测起到重要作用。本研究采用的时域分析指标为：平均正常RR间期的标准差(SDNN)、相邻RR间期差的均方根(RMSSD)、相差大于50 ms的相邻RR间期占RR间期总数的百分比(PNN50)[4]。

2.3.2 频域分析 频域分析即功率谱分析。相对于时域分析，心率变异性的频域分析是从频谱分析的角度对心率变异性变化的规律进行更深层次分析，常见的信号功率谱密度分析方法有经典功率谱分析和现代参数建模法[5]。经典功率谱分析法的数据量小，谱分辨率低，能量会发生泄露的现象，而AR模型法可以提高谱分辨率。因此针对本研究数据，采用AR模型法进行频域分析。频域分析指标为：低频成分(LF，0.04～0.15 Hz)、高频成分(HF，0.15～0.4 Hz)、总功率(TP，0.003～0.4 Hz)[6-7]。

2.3.3 非线性分析 本研究采用非线性指标Poincare散点图作为非线性分析方法。Poincare散点图是常用的心率变异性非线性分析研究，又称Lorenz散点图，是具有混沌特性的多维“空间结构”截面图。因此，用Poincare散点图来表征相关生理特性，可以反映心脏跳动的瞬时变化，也可以反映出外界环境对心脏的影响。

2.4 统计学方法

3 数据结果

3.1 心率变异性时域分析

表2 时域结果统计表Table 2 Time domain result table

注：*P<0.05，**P<0.01。

3名受试者时域结果见表2，SDNN、RMSSD、pNN50随着时间变化，存在显著性差异。进舱前SDNN、RMSSD和pNN50的值相对低温下1～10 min的值发生变化。在-10℃低温条件下，前30 min的SDNN、RMSSD和pNN50逐渐减小，在30～40 min时，SDNN、RMSSD、pNN50(P<0.05)值最大，SDNN(P<0.05)、RMSSD、pNN50缓和时10～20 min值最大。缓和后SDNN、RMSSD和pNN50的值减小，值接近进舱前，时域指标变化见图1。

图1时域指标变化

Fig.1Change of time domain indicators

3.2 频域分析

3名受试者频域结果见表3，在进舱前和低温1～10 min下的TP、HF和LF发生变化，其值均减小且无显著性差异。TP、HF和LF在低温下30～40 min的值最大，其中HF(P<0.05)有显著差异，出舱缓和1～10 min的TP、HF和LF减小，在10～20 min达到最大，且TP(P<0.5)有显著性差异。缓和后1～10 min的TP、HF和LF减小，值接近进舱前，频域指标变化见图2。

表3 频域结果统计表Table 3 Time domain result table

注：*P<0.05，**P<0.01。

图2 频域指标变化Fig.2 Change of frequency domain indicators

3.3 非线性分析

健康人的Poincare散点图呈现彗星状，在患有心血管疾病的人群中Poincare散点图会呈现扇形，短棒状和复杂形。3名受试者在进舱前、低温下、缓和间期和缓和后得到的散点图基本为彗星状，其中一名受试者在进舱前、低温下、缓和间期和缓和后的散点图见图3。

图3 散点图Fig.3 Scatter plot

4 分析与讨论

本研究通过对时域和频域的分析发现，从常温进入-10℃的低温环境，时域中SDNN、RMSSD和pNN50，频域中TP、HF、LF的值均先减小再升高，在30～40 min后的值达到最大，缓和20 min后均恢复正常。通过SDNN值的变化说明在低温下30 min后，自主神经系统调节功能大幅度提高。缓和20 min后，自主神经调节功能大致恢复。pNN50和RMSSD的值的变化说明低温30 min后，副交感神经活性增强,20 min后恢复到正常水平。HF和LF在进舱前和低温中的值发生变化，说明迷走神经和交感神经活性发生变化，在30 min后迷走神经和交感神经活性大幅度提高，缓和20 min后，恢复到正常水平。通过对散点图的分析，得知在低温下40 min并不会引发心血管等疾病。

本研究虽然未发现频域指标在低温40 min内有显著性差异，但发现反应的趋势与时域结果基本一致。此外本研究发现低温对交感神经和副交感神经影响程度不同，这种差异的具体原因和机制还有待进一步研究。