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编号:10273814
心室复极化时程与自主神经系统关系的研究
http://www.100md.com 《生物医学工程学杂志》 2000年第2期
     作者:潘家普 朱宇杰 潘翠琴

    单位:(上海第二医科大学 生物医学工程学教研室,上海 200025)

    关键词:心室复极化时程变异;自主神经系统;大白鼠实验;阿托品;体位

    生物医学工程学杂志000219 摘要 目前,随着心血管疾病日益增多,国外有少 量研究者开始分析心室复极化时程变异(Repolarization duration variability, RDV),某 些心脏疾病会在心室复极化时程变异上会有所表现。我们用乌拉坦麻醉大白鼠,研究用阿托 品阻断迷走神经前后,RDV的变化规律。通过正常人体位变化来改变人体自主神经系 统的平衡状态,以研究心室复极化时程与自主神经系统的关系。发现大白鼠的HRV和RDV 的谱分析的峰值频率都受到吸呼频率的调制。阻断迷走神经后,HRV和RDV的HFnu都显 著减小,LF/HF都显著增加。人体倾斜时,HRV和RDV的LF/HF显著高于平躺时,这与体位变化 时自主神经系统的变化是一致的。从动物实验和人体实验结果看到心室复极化时程受 到自主神经系统的影响。随着心室复极化时程变异研究的不断深入,将使评价心脏疾病和功 能的无创性方法更趋 完善,必将在临床上发挥更大的作用。
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    A Study of the Relation Between Ventricular Repolarization

    Dura tion and Autonomic Nervous System

    Pan Jiapu Zhu Yujie Pan Cuiqin

    (Department of Biomedical Engineering,Shanghai Second Medical Universit y, Shanghai 200025)

    Abstract Cardiovascular disease is a growing problem recen tly. There has been a few attention in the study of ventricular repolarization d uration variability. RDV is associated with some cardiac diseases. We studied va gal blockade effects on RDV in urethane-anesthetized rats. To study the relatio n between ventricular repolarization duration and autonomic nervous system in s ubjects, we changed the balance of autonomic nervous system by body posture. The HRV and RDV spectral analysis showed that HF peak was modulated by the frequenc y of controlled respiration. We also found a significant decrease in HFnu and increase in LF/HF in HRV and RDV during vagal blockade. There is a signific ant increase of LF/HF of subjects in HRV and RDV from supine to tilt, which is consistent with the state of autonomic nervous system. The result of our study i s that the ventricular repolarization duration is dependent on the autonomic ner v ous system. The RDV analysis will be more helpful in the clinic. This approach will provide a more useful noninvasive evaluation of cardiac disease and functio n.
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    Key words Ventricular repolarization duration variability Autonomic nervous system Rat experiment Atropine Body posture

    1 引 言

    目前,心血管疾病日益增多,近年来我国急性心肌梗塞的发病有明显的增加,急性期死亡的 病例中60%为心源性猝死。幸存者中约10%死于出院后第一年,此后每年5%死于该病,大部分 为猝死。因此如何识别可能猝死的高危人群是急需解决的一大难题。许多研究者致力于从心电信号中提取能早期诊断、监护及预后评估的有价值的信息研究 。

    在体表心电图中,QT间期是指QRS波起点和T波终点之间的间隔时间,与心室肌细胞动作电位 的除极和复极过程相对应。QT间期作为反映心室除极和复极时间的重要的电生理参数,越来 越受到国内外医学界的普遍关注。
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    早就有人利用静态QT间期来帮助诊断疾病。近年来,用QT间期在空间上的变异即QT离散度(Q T dispersion, QTd)来研究与疾病的关系成为热点,它只需在心电图纸带上人工测量几个心 动周期的QT间期即可,较早应用于临床。随着计算机技术和数字信号处理技术的发展,心率 变异(HRV)作为检测自主神经功能平衡状态的无创性能指标,日益受到重视。与大量研究HRV 相对照,国外有少量的研究者开始分析心室复极化时程变异。从心肌电活动理论和许多试验 结果表明,正常人RDV的频域分析结果与HRV的分析结果相一致[1~4]。当心 脏有疾病时,心肌复极化将会发生变化[3,5~8]。某些心脏疾病在心室复 极化时程变异上会有所表现,它为我们检测和诊断心脏疾病提供了很好的分析手段。

    我们建立了一套心室复极化时程变异的分析方法。我们用乌拉坦麻醉大白鼠研究用阿托品阻 断迷走神经前后,RDV的变化规律,我们还通过正常人体位变化来改变人体自主神经系统的 平衡状态,以研究心室复极化时程与自主神经系统的关系,为进一步深入研究心室复极化时 程变异的生理机制和临床应用打下基础。
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    2 方 法

    2.1 实验条件

    大白鼠实验:取9只体重298±23 g的SD大白鼠,雌雄不限。由于乌拉坦作用稳定,维持时间 比较长,对心脏和神经系统影响小,因此选用乌拉坦作为麻醉剂。根据RR间期趋势图和大白 鼠 呼吸的稳定程度,麻醉后2~4 h,大白鼠比较稳定,定为实验时间,而且RR间期在 麻醉后三小时达到峰值。实验室温度在20~30 ℃。

    人体实验:正常受试者中,青年组14人(年龄:23.57±1.51),中年组14人(年龄:46.64 ±5.40),性别不限,无心脏病史并心电图检查正常。受试者实验前24小时内不吸烟,不喝 咖啡类饮料,不喝酒,不吃任何药物,除正常膳食之外,不吃任何其他营养品。检查时保持 清醒,身体自然放松,自由呼吸,身体尽量不动。

    2.2 实验步骤
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    大白鼠实验:用乌拉坦(1 500 mg/kg)腹腔注射,麻醉后二小时开始采集一小时心电信号, 然后腹腔注射阿托品(2.5 mg/kg),再采集一小时心电信号。

    人体实验:安静平躺20分钟后,开始采集20分平躺时的心电信号,然后倾斜实验床,使人体 头保持高位,身体与地面之间为53度,稳定20分钟后再采集20分钟倾斜时的心电信号。

    2.3 RTm间期检测

    由于大白鼠心跳比较快(240~420次/分),RTm间期变异的标准差比较小(0.36 ms左右),因此 ,我们采用4 kHz的心电采样频率。在人体实验时,我们采用1 kHz的心电采样频率。同时为 避 免录音机抖晃度对RDV的影响,心电信号经我们自行设计的A/D采样板直接存入硬盘,A/D采 样板使用双CPU方式,由单片机控制数据采样,PC机控制存盘,采样与存盘通过共享RAM进行 交替缓冲,以达到长时间连续采样、存盘的目的。由于T波终点检测比较困难,并且Merri发 现只有S0Tm(S波终点到T波峰的时程)保留有QT间期对心率的依赖特性[9],又 因R峰到S终点的时间较短,但R峰检测更精确。因此我们以RTm来代替QT间期。国外大部分RD V的研究也都用RTm代替QT间期。在T波峰的检测中,T波的幅度相对比较小,而且其微分后成 份也不大,我们采用了以相关系数为条件的模板匹配的方法[10]
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    2.4 频域分析法

    大白鼠实验:由于大白鼠HRV和RDV的频谱在4 Hz以下,我们对RR间期以125 ms用三次自然样 条函数进行等间隔内插。每过3.75 min作一次频谱分析,对同一过程的所有谱估计值进行平 均处理,求出HFnu[100高频能量/(总能量-甚低频能量)]和LF/HF[低频能量/高频 能量],研究大白鼠在注射阿托品前后高频能量和低频能量的变化情况。在能量分布中,0~ 0.1 Hz为甚低频段,0.1~1 Hz为低频段,1~4 Hz为高频段。

    人体实验:我们对RR间期和RT间期以1 000 ms用三次自然样条函数进行等间隔内插。对 同一 过程的谱估计用交叠50%的Welch算法进行处理,在能量分布中,0~0.04 Hz为甚低频段,0.0 4~0.15 Hz为低频段,0.15~0.40 Hz为高频段,求出HRV和RDV的LF/HF,研究正常人平躺和倾 斜时高频能量和低频能量的变化情况。
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    3 结 果

    (1)任取一只大白鼠(304克,雄性),在乌拉坦麻醉下,大白鼠的呼吸比较 稳定,计数呼吸率约在82/min左右,即呼吸频率稳定在1.36 Hz附近。用阿托品之后,呼吸 频率增加到1.60 Hz附近。同时我们采集大白鼠的心电信号,并对其心电信号的RR间期和RTm 间期进行频谱分析,可以看到,用阿托品前后,大白鼠的HRV和RDV的谱分析的峰值频率受到 呼吸频率的调制(见图1a,1b,1c,1d),反映了高频峰与迷走神经活动有关。这些结 果也反映出我们建立的心电信号采集、RR间期和RTm间期检测以及谱分析等的方法均是正确 可靠的。

    图1 在乌拉坦麻醉下,迷走阻断前后大白鼠的HRV和RDV 的谱分析

    (a)迷走阻断前(HRV) (b)迷走阻断前(RDV) (c)迷走阻 断后(HRV) (d)迷走阻断后(RDV)
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    Fig 1 The spectral analysis of HRV and RDV in urethaned- anesthetized rats before and after vagal blockade

    (a)Before vagal blockade(HRV) (b)Before vagal blockade(R DV) (c)After vagal blockade(HRV) (d)After vagal blockade(RDV)

    (2)用乌拉坦麻醉9只体重298±23 g的SD大白鼠,大白鼠经乌拉坦麻醉 后 ,副交感张力较高(在频谱图上可见高频峰增大),我们分析用阿托品阻断迷走前后HRV和RDV 的谱分析的变化情况。根据表1的结果,我们可以看到,阻断迷走后,HRV和RDV的HFnu 都显著减小,LF/HF都显著增加。可见RDV的频谱变化与HRV是一致的,与阿托品阻断迷走 神经以后,副交感张力降低是相符合的,说明HRV和RDV与自主神经系统有关。同时,从 表1还可以看到,用阿托品以后,HRV和RDV的SD都减小,其中HRV的SD减小有显著意义。
, 百拇医药
    表1 迷走阻断前后大白鼠的HRV和RDV的比较

    Table 1 Comparisons of HRV and RDV before and after vagal blockade in rat s

    HRV

    RDV

    SD

    HFnu

    LF/HF

    SD

    HFnu

    LF/HF
, 百拇医药
    Before

    After

    Before

    After

    Before

    After

    Before

    After

    Before

    After

    Before

    After

    均值
, http://www.100md.com
    4.84

    0.41

    25.97

    6.97

    4.28

    14.55

    0.36

    0.32

    24.99

    17.79

    3.54

    5.77

    标准差
, 百拇医药
    3.15

    0.12

    15.12

    1.88

    2.89

    4.57

    0.11

    0.05

    8.79

    8.83

    1 .84

    2.76

    P值
, http://www.100md.com
    0.003

    0.0036

    0.00003

    0.09

    0.0034

    0.012

    (3)从表2正常人青年组和中年组平躺和倾斜时HRV的LF/HF 的变化结果可以看到,倾斜时的LF/HF显著高于平躺时的值,这与体位改变时自主神经系 统的变化是一致的。同时还可以看到,倾斜时RDV的LF/HF的值显著高于平躺时的值,同样与 自主神经系统的变化相符合,反映出心室复极化时程的变化也与自主神经系统有关,受到自 主神经系统的影响。表2 正常人平躺和倾斜时HRV和RDV的LF/HF的比较

    Table 2 Comparisons between supine and tilt in LH/HF of HRV and RDV in s ubjects
, 百拇医药
    分组

    青年组(Young)

    中年组(Adult)

    指标

    LF/HF(HRV)

    LF/HF(RDV)

    LF/HF(HRV)

    LF/HF(RDV)

    体位

    平躺

    倾斜

    平躺

, 百拇医药     倾斜

    平躺

    倾斜

    平躺

    倾斜

    均值

    1.28

    4.01

    0.84

    1.87

    1.63

    4.26

    0.80

, 百拇医药     1.77

    标准差

    0.83

    1.71

    0.63

    1.07

    1.32

    3.03

    0.68

    1.64

    P值

    0.00001

    0.0005
, 百拇医药
    0.0012

    0.026

    4 讨论

    从实验结果看到心室复极化时程与自主神经系统有关,受到自主神经系统的影响。但 自主神经系统对心室复极化时程是否有直接的作用,至今还存在不同的观点,Merri认为通 过计算LF/HF和高频能量,可以直观地反映交感神经系统和副交感神经系统在心室肌的状况 及其均衡性的变化趋势[2]。而Lombardi研究发现,心房调搏病人的RDV频谱中缺少 低频成份,并认为其RDV频谱中的高频成份是由呼吸的机械运行使心电轴的变动引起的。因 此这种高频成份不能被解释为迷走调制心室复极化的直接证据,因为考虑到心室迷走神经对 生理调制作用的争论[1]。因此还需在生理机制方面作深入研究。还有必要继续研 究心脏疾病时心室复极化时程变异的变化规律,分析正常人和病人心室复极化时程变异的差 异,进一步作深入的临床研究。
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    近十几年来,心率变异受到了普遍重视,成为心血管疾病的研究热点,而心室复极化时程变 异的分析只是一个刚开发的领域,心室复极化时程变异的分析方法可作为评价心室疾病和功 能的手段,具有无创性和可定量等优点,有广泛的应用价值,它为临床心血管疾病的早期诊 断和预后评估提供了一项无创性的新的检测手段。

    在心室复极化时程变异成为临床上常规的检测手段之前,作为一种正在发展的技术,还存在 着一些尚需解决的问题,心室复极化时程变异的各种指标在临床上的作用和意义还值得作进 一步的探讨。这些指标受到诸如药物、情绪、体位和节律等多种因素的影响,分析结果的稳 定性、可靠性和重复性还有赖于对这些因素的严格控制和处理。

    随着心室复极化时程变异研究的不断深入,将使评价心脏疾病和功能的无创性方法更趋完善 ,必将在临床上发挥更大的作用。

    上海市教委科学技术基金资助项目(95B16)
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    参考文献

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    (收稿:1998-10-26 修回:1999-05-04), http://www.100md.com