基于心率變異性的特種車輛乘員作業工效評價指標分析

郭書文,王延琦,陳亞妮,賀軍,考希賓,萬紅,閆金海,孔巍,姬麗靜,郭孝文

(兵器工業衛生研究所 中國兵器工業集團人-機-環境重點實驗室，西安 710065)

1 引言

心率變異性(heart rate variability，HRV)是近來比較受關注的無創性心電檢測項目之一，是度量心臟自主神經系統(autonomic nerve system，ANS)功能的一項有價值的指標[1]。HRV指的是連續心跳之間瞬時心率的微小變化，即相鄰RR間期的細微漲落，反映了交感神經、副交感神經的張力以及兩者之間平衡的狀態。HRV可以定量測定ANS某一成分的變化即活性情況。醫學研究表明，心率變異信號中蘊含著有關心血管調節的重要信息，對HRV進行分析可以間接地定量評價心肌交感、迷走神經緊張性和均衡性，而且還能分析ANS的活動情況[8]。HRV與很多疾病尤其是心血管方面的疾病有著很大的關系，具有相當廣泛而重要的臨床應用價值[2]。

近年來，越來越多的研究將HRV應用于運動領域[3-4]、作業負荷[5-6]、精神疲勞和心理壓力[7-9]研究，也有用于情緒識別研究[10]、人格特征選拔[11]、高低溫環境以及高原低氧環境影響研究[12-14]、空氣污染影響研究[15]等，極大地拓寬了HRV的應用領域，而且取得了一定的研究成果。本研究為尋求特種車輛乘員作業工效的評價指標，建立作業工效評價體系，選取2016年10月至2017年7月分別在平原、高原地區作業的特種車輛乘員作為觀察人群，對不同地域下作業前后長時程動態心電圖監測下的各HRV指標進行了分析觀察。

2 方法

2.1 被試

選擇分別在廣西柳州、西藏拉薩、西藏羊八井地區(分別標注為A、B、C地區)，參加試驗的特種車輛乘員作為被試，基本情況見表1。

表1 研究對象基本情況

2.2 數據的獲取

對參加作訓試驗的乘員作業過程的動態心電進行測量采集。試驗主要儀器及測量方法：采用TLC5000型十二導動態心電分析儀，試驗前1小時穿戴，在試驗結束10 min后停止測量。由于HRV相關指標值的大小會因為分析數據的長度而改變，不同長度的數據不能用于比較，同時受乘員作業試驗時間的限制，無法進行乘員24小時長時程動態心電的測量，因此本研究采用長時程法進行測量，測量時程不小于6小時，按1小時時程截取作業前、作業過程的HRV時域指標和頻域指標值進行分析。

選擇的時域指標包括：最大RR間期(maxRR)、平均RR間期(meanRR)、周期長度變異性(SDNN)、HRV三角指數(HRVindex)、相鄰RR間期差值均方根值(RMSSD)、相鄰RR間期差值大于50 ms的心搏個數占比(PNN50)，頻域指標包括：極低頻功率(VLF)、超低頻功率(ULF)、低頻功率(LF)、高頻功率(HF)、平衡比(LF/HF)。

試驗現場氣象條件：A地區，海拔90 m，大氣壓101.2 kPa，平均氣溫20-34℃，相對濕度52-60%，風速0.5-3 m/s；B地區，海拔3640 m，大氣壓65.3kPa，平均氣溫7-26℃，相對濕度17-35%，風速0.5-3 m/s；C地區，海拔4313 m，大氣壓64.8kPa，平均氣溫6-16℃，相對濕度21-27%，風速3-5 m/s。

2.3 統計分析

3 結果

3.1 時域指標測量統計結果

表2可見，乘員作業過程中HRV時域指標均有不同程度的降低(A組HRVindex、C組meanRR除外，但差異無顯著性，P>0.05)。A地區乘員作業過程maxRR(t=4.605，P<0.01)、RMSSD(t=3.334，P<0.01)、PNN50(t=2.960，P<0.01)與作業前相比均明顯降低，差異有顯著性；高原B地區乘員作業過程maxRR(t=4.418，P<0.01)、SDNN(t=3.445，P<0.01)、RMSSD(t=4.005，P<0.01)、PNN50(t=3.003，P<0.01)與作業前相比均明顯降低，差異有顯著性；高原C地區乘員作業過程與作業前相比，各項時域指標隨均略有下降，但差異均無顯著性(P>0.05)。

表2 作業乘員HRV時域指標數據統計

不同地域作業前比較，與A地區組比較， B地區組maxRR(t=2.600，P<0.05)、C地區組(t=2.958，P<0.01)均明顯降低，差異有顯著性。其余指標無顯著性差異(P>0.05)；不同地域作業過程中比較，與A地區組比較，B地區組maxRR(t=3.269，P<0.01)、SDNN(t=2.098，P<0.05)均明顯降低，差異有顯著性。其余指標無顯著性差異(P>0.05)；各組作業前、作業過程及其組間對比meanRR、HRVindex指標均無顯著性變化(P>0.05)。

3.2 頻域指標測量統計結果

表3可見，乘員作業過程中HRV頻域指標ULF、VLF、LF、HF均有不同程度降低，LF/HF升高，其中：A地區乘員作業過程ULF(t=3.018，P<0.01)、LF(t=2.404，P<0.05)、HF(t=2.975，P<0.01)、LF/HF(t=-7.925，P<0.01)指標較作業前差異有顯著性，高原B地區乘員ULF(t=2.458，P<0.05)、VLF(t=2.674，P<0.05)、LF(t=2.469，P<0.05)、HF(t=2.724，P<0.05)、LF/HF(t=-8.088，P<0.01)指標差異有顯著性，C地區乘員僅LF/HF明顯升高，差異有顯著性(t=-2.921，P<0.05)。

表3 作業乘員HRV頻域指標數據統計

三個不同地域作業前比較，B組乘員較A組的VLF(t=-2.425，P<0.05)、LF/HF(t=2.126，P<0.05)指標差異有顯著性，均明顯升高。C組較A組的HF、LF/HF指標差異有顯著性，其中HF明顯降低(t=2.971，P<0.01)，LF/HF明顯升高(t=2.791，P<0.01)。B與C地區組間各項頻域指標均無顯著性差異(P>0.05)；三個不同地域作業過程比較，B組較A組的LF/HF明顯升高，差異有顯著性(t=-2.338，P<0.05)，三組間其余指標無顯著性差異(P>0.05)。

4 討論

時域分析法是對HRV的總體評價，其特點是計算簡單，能直觀地應用于HRV檢測與分析[16-17]。本研究發現：與同一地區作業前相比，平原A地區、高原B地區乘員作業過程maxRR、RMSSD、PNN50指標值均明顯降低，高原B地區乘員作業過程SDNN值也出現明顯降低。maxRR、SDNN值降低說明乘員作業過程中HRV整體水平發生改變，心率增加。RMSSD、PNN50值降低說明乘員作業過程中HRV中快速變化的成分減慢，迷走神經對心率調控作用降低。高原C地區乘員作業過程中各項時域指標與作業前相比變化不大，說明隨著海拔高度的升高、氧分壓降低，高原環境對乘員HRV水平產生了一定影響，這個影響甚至超過了高原作業本身；不同地域的三個作業前組間比較，B、C地區組maxRR值與A地區組比較均明顯降低，這可能同時與高原作業環境影響相關；不同地域的三個作業過程中組間比較，B地區組的maxRR、SDNN值較A地區組明顯降低，這說明高原環境作業對乘員HRV水平具有一定影響。

頻域分析法將隨機變化的RR間期或瞬時心率信號分解為多種不同能量的頻率成份進行分析，可同時評估心臟交感和迷走神經活動水平，較好地反映ANS活性的變化情況[18]。本研究發現：同一地域下與作業前相比乘員作業過程ULF、VLF、LF、HF有不同程度降低，其中A、B地區乘員ULF、LF、HF明顯降低，B地區乘員VLF也明顯降低。作業前B地區組的VLF、C地區組的HF指標均明顯高于A地區組。以上指標沒有明顯的組間變化統一趨勢。而代表交感-副交感神經均衡性的平衡比LF/HF卻表現出各組作業前、作業過程以及各組間的顯著差異：同一地域下與作業前相比乘員作業過程LF/HF明顯升高，三地區作業前乘員LF/HF隨著海拔高度增加而升高。

本研究中乘員作業過程中反映低頻功率的ULF、VLF、LF均有不同程度降低，其中A地區、高原B地區ULF、LF降低明顯，B地區乘員VLF也明顯降低。時域指標SDNN也反映交感神經張力大小，本研究發現平原A地區、高原B、C地區作業乘員SDNN較作業前降低，其中高原B地區降低明顯，表明乘員無論是在平原還是高原作業都會發生交感神經活性的改變，而C地區組的反映低頻功率指標均無顯著性改變，這種不明顯變化可能由于交感神經系統屬于腎上腺素能神經，其節后纖維釋放去甲狀腺素作用于心肌細胞，引起心率加快和輸出量的增加，而乘員作業訓練能夠引起每搏輸出量的增加，在保證心輸出量的同時削弱了交感神經對心臟的調節作用[18]。

副交感神經屬于膽堿能神經，通過迷走神經節后纖維釋放乙酰膽堿作用于心肌細胞，實現對心臟的調控，其活性通過心率變異性指標中的頻域指標HF和時域指標RMSSD、PNN50來反映[18]。本研究發現，平原A地區、高原B、C地區隨著海拔的升高乘員作業前HF、RMSSD、PNN50指標均依次減小，而且C地區組顯著低于A地區組(P<0.01)。三組作業過程中RMSSD、PNN50、HF較作業前有不同程度降低，其中A、B地區組降低明顯(P<0.05)，說明乘員作業過程中HRV中快速變化的成分減慢，副交感神經張力降低，迷走神經對心率調控作用降低。

交感-副交感神經均衡性通過LF/HF來反映。本研究顯示，平原A地區、高原B、C地區隨著海拔的升高乘員作業前LF/HF逐漸升高，而且B、C高原組LF/HF顯著高于平原A地區組(P<0.05)，這可能與高原低氧環境影響和習服有關，導致高原環境下乘員作業負荷明顯加大；乘員作業過程中無論在平原還是高原作業，乘員LF /HF都較作業前明顯升高。說明相較于LF的降低，HF降低幅度更為明顯。乘員作業作訓使交感-副交感神經均衡性向交感神經張力增強的方向發展，副交感神經系統在心臟調控作用下降，導致乘員作業中心率增加，從而導致乘員作業工效下降。

隆敏[19]等研究發現，模擬急進高下受試人員LF、HF及TP呈先升高后下降趨勢，LF/HF呈逐漸升高趨勢，說明交感神經、副交感神經活動較平原均顯著減弱，調節功能受到廣泛抑制，交感神經相對占優勢并逐漸增強。田開新[20]等對99名健康青年男性按AMS癥狀積分分組，比較空運急進高原前后ANS功能發現，受試者在急進高原第l天AMS癥狀最嚴重，LF/HF隨AMS程度減輕而減少。AMS癥狀評分與平原時LF/HF正相關(r=0.437，P<0.01)。Loeppky[21]等也曾報道在模擬高原(低壓低氧)6小時后AMS組HRV顯示LF/HF增高，表明交感/副交感神經的相對活動在AMS發病中具有重要意義。Yamamoto[22]等對7名健康男性分別在海拔500米、1500米、2500米和3500米進行亞極量功率車測試，發現在每個海拔高度時HR和交感神經系統指標均上升，副交感神經系統指標均下降，說明與海拔高度相比，亞極量運動對心臟自主神經功能的影響起著主導作用。

由此可見，無論高原低氧環境還是運動作業狀態下，心率變異性都是較為敏感的指標，由于高原低氧環境和/或運動作業，使機體副交感神經活動和交感神經活動性發生變化。本研究也表明在平原、不同海拔高度的高原地區作業乘員LF/HF出現明顯變化，LF/HF能夠為乘員作業工效的評估提供可量化指標。

5 結論

本研究以在平原地區作業、海拔3650m和海拔4320m的高原地區作業的特種車輛乘員作為觀察人群，采集了作業前后長時程動態心電信號，按1小時時程截取作業前、作業過程的HRV值，對不同地域環境下乘員作業前、作業過程中的時域指標maxRR、meanRR、SDNN、HRVindex、RMSSD、PNN50和頻域指標VLF、ULF、LF、HF、LF/HF值進行了顯著性、相關性對比分析。結果表明，與作業前相比乘員作業過程中時域指標maxRR、SDNN、RMSSD、PNN50和頻域指標ULF、VLF、LF、HF均有不同程度降低，其中A、B兩個地區的maxRR、RMSSD、PNN50、ULF、LF、HF降低明顯，另外高原B地區的SDNN、VLF指標也有明顯降低。而乘員作業過程LF/HF指標卻較作業前明顯升高。表明作業負荷下乘員交感-副交感神經均衡性向交感神經張力增強的方向發展，副交感神經系統的心臟調控作用下降，導致乘員作業中心率增加，乘員作業負荷增加、作業能力下降；隨著海拔高度的升高，乘員HF、RMSSD、PNN50指標均依次減小，而且C地區組顯著低于A地區組，LF/HF隨著海拔的升高逐漸升高，而且B、C高原組顯著高于平原A組，表明高原低氧環境加大了乘員的心臟負荷，引起乘員副交感神經張力降低，乘員作業負荷較平原作業更大。研究表明LF/HF指標在三個組間和組內作業前、作業過程中都有明顯變化，與乘員作業負荷、作業工效明顯相關，可以作為乘員作業工效評估指標。