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[摘要]目的为了研究健康成年男性心率变异性参数随精神负荷的变化关系，探讨交感神经系统与副交感神经系统的变化趋势。方法通过设计基于N-BACK实验范式的精神压力实验系统，对30名在校男性硕士研究生进行基于N-BACK的精神负荷测试实验，采集不同负荷水平下的心电信号并分析其心率变异性的时、频域参数。结果计算结果显示，时域指标R-R间期的标准差、R-R间期差值的均方根均随着精神负荷的增加，表现出明显减小的趋势；频域指标高频功率随着精神负荷的增加，表现出下降的趋势。结论本研究对自主神经系统状态及精神负荷的评估具有参考意义。

[关键词]精神负荷；心率变异性；时域分析；频域分析；自主神经系统

引言

随着社会的发展，生活节奏的加快，信息化等新技术广泛普及，人们的工作能力与工作负荷差越来越大，导致人们的精神压力增大。有研究表明，除了焦虑、抑郁、躁狂等精神系统疾病外，人体长期处于高强度精神负荷状态中，会引起心理的不适和情绪的波动，产生失眠、疲劳、紧张、记忆力减退、烦闷、易怒、精力分散和生理上的肌肉酸痛、胸闷、耳鸣头痛、心悸以及胃肠消化系统障碍等。精神负荷的持续增加会导致人体对疾病的敏感性加大，成为诱发多种疾病的主因。

然而，心理学领域对于人体精神负荷状态的测试与评估，虽然从多个领域已研究多年[1-5]，但无统一的参考意见。在心理学临床诊断过程中，临床医生评价个体精神负荷状态的方法有：心理问卷法和经验晤谈法等主观评测方法[6]。尽管这些方法在一定程度上能够反映出个体的精神压力（负荷）状态，但往往需要参与者的响应和积极配合，这些方法受医患双方的主观影响较大，不利于客观评价。

既往研究表明，处于精神压力（负荷）下的人体，会出现自主神经系统状态的波动：交感神经系统的低频作用（0.04～0.15 Hz）和副交感神经系统的高频作用（0.15～0.4 Hz）同时作用于心脏，对心脏的固有节律产生调制作用，产生了心电信号R-R间期的动态波动现象，即心率变异性[7-8]。心率笔变异性成为自主神经系统的非侵入性指征，因此通过心率变异性分析精神压力（负荷）成为可能[9]。

本研究拟通过设计精神压力实验系统进行短时精神负荷应激试验，使受试者产生不同强度水平的精神负荷，同时通过可穿戴设备采集受试者心电信号，分析不同负荷强度下的心率变异性，研究心率变异性与精神负荷之间的关系。

1 方法和流程

N-BACK实验范式最早在2008年由Jaeggi SM[3]设计，因其便于控制难度且涵盖视觉、记忆等神经中枢，广泛作为激发受试者短期精神负荷的有效方法[10]。

本实验基于N-BACK实验范式原理设计了精神压力实验系统，用于短时间内激发起受试者的精神负荷水平。

选取30名男性在读研究生，年龄：（25±3）岁。入组：要求无心脑血管系统疾病，实验前3天内禁酒、无夜班安排且排除超重被试者，对每名候选被试者发放问询量表，填写个人情况和近期精神状态，确保受试者近期无过大心理压力大及心理疾病。基于N-BACK范式的精神负荷实验过程，见图1。

图1 基于N-BACK的实验过程

过程中使用本中心研制的“生命体征监测胸带”，见图2。实时监测采集“静息态～0-BACK～1-BACK～2-BACK”4个状态下的心电信号，静息状态时间为120 s。采用pad实现测试过程，实验使用以字母记忆为主要手段的N-BACK实验范式，在测试阶段，实验pad上的UI界面会依次随机出现90个英文字母，每个字母持续1.5 s，相邻两个字母出现的时间间隔是1 s。另外会有“相同”和“不相同”两个选择按键伴随字母出现，按该按键会根据实验规则计算每个人的正确率。“0-BACK”阶段，持续时间225 s，要求被试者比较当前出现的字母（第N个字母）与整个字母序列中的第1个字母是否相同；“1-BACK”阶段，持续时间225 s，要求被试者比较当前出现的字母（第N个字母）与它之前1个出现的字母（第N-1个字母）是否相同。“2-BACK”阶段，持续时间225 s，要求被试者比较当前出现的字母（第N个字母）与它之前2个出现的字母（第N-2个字母）是否相同。

图2 生命体征监测胸带

采用Kubios_HRV_2.1分析软件对采集的心电信号进行心率变异性分析，包括时域的R-R间期的标准差（SDNN）、R-R间期差值的均方根值（RMSSD），和基于AR模型的频域参数：低频功率（Low Frequency，LF）、高频功率（High Frequency，HF）和LF/HF（低、高频功率比）[11-15]。得到的计算结果，见表1～2。

表1 时域计算结果 (ms)

表2 频域计算结果 (ms2)

观察30组数据LF的均值：随着被试者精神负荷水平的上升，其心率变异性频域的低频成分呈现缓慢下降的趋势，见图3。

图3 低频分量的实验结果

在30组数据的HF中，随着被试者精神负荷水平的上升，有21组（占比70%），呈明显的下降趋势，9组无明显趋势。整个实验过程中的HF的均值从“静息态～0-BACK～1-BACK”的变化过程为“1040～670～536 ms2”，经配对t检验计算具有显著性差异（P<0.05）。此实验结果显示：随着精神负荷水平的逐渐提高，副交感神经系统的活动性被逐步抑制；“2-BACK”的均值（536 ms2）比“1-BACK”的均值（587 ms2）低，但配对t检验，无显著性差异。整个过程的HF均值变化趋势，见图4。整个过程的LF/HF的均值的变化趋势，见图5。

2 结果

本实验对30名被试者静息状态与通过N-BACK实验激发出的不同的精神负荷水平下心率变异性的比较，得到如下试验结论：

（1）当被试者从“静息态～0-BACK～1-BACK～2-BACK”的试验过程中，其短时心率变异性时域指标SDNN和RMSSD明显降低，结果表明此过程中的心率变异性减小。

图4 高频分量的实验结果

（2）N-BACK应激状态下，高频成分（0.15～0.4 Hz）的实验的数据呈现出整体下降趋势。

图5 LF/HF的实验结果

3 讨论

结论一显示随着精神负荷的增强，心率变异性显示出减小的趋势。在生理上：当人体的精神负荷水平逐渐提高时，会出现交感神经系统活动性增强，迷走神经系统活动性减弱的现象，表现为心率变异性主要受到来自于交感神经系统的调节占优势地位，导致心率变异性的减小。本实验结论证明基于N-BACK的精神压力实验系统可以有效激发被试者的精神负荷水平的变化，证明了系统的有效性，可用于精神负荷变化的仿真平台，开展精神负荷的测评研究。

结论二显示随着精神负荷的增强，心率变异性的频域分析中的高频成分呈现出下降趋势。心率变异性中的高频成分已经通过生理实验证明是迷走神经作用的结果[16]，本实验的高频成分数据呈现出整体下降趋势和生理规律相吻合。

实验中被试者心率变异性频域指标的低频成分（0.04～0.15 Hz）呈持续下降趋势，这个实验结论显示频域中的低频成分不是单一的交感神经系统活动性的表示，而是交感神经和迷走神经共同作用的结果，同已有的报道[16]的介绍的关于影响LF的因素相一致，也是目前较多学者支持的观点。

本研究从精神负荷的激发实验入手，研究心率变异性参数随精神负荷水平的变化规律，为自主神经系统状态及精神负荷的评估提供参考。

[1] Dedovic K,D’Aguiar C,Pruessner JC.What stress does to your brain: a review of neuroimaging studies[J].Can J Psychiatry,2009,54(1):6-15.

[2] Wang J,Rao H,Wetmore GS,et al.Perfusion functional MRI reveals cerebral blood flow pattern under psychological stress[J].Proc Natl Acad Sci USA,2005,102(49):17804-17809.

[3] Jaeggi SM,Buschkuehl M,Jonides J,et al.Improving fluid intelligence with training on working memory[J].Proc Natl Acad Sci USA,2008,105(19):6829-6833..

[4] 付培培.改良蒙特利尔成像应激任务范式对中国被试的应激效应[D].杭州:杭州师范大学,2014.

[5] 王晓娟,王健.心理应激的影像学实验范式及其脑机制研究进展[J].应用心理学,2011,17(3):275-280.

[6] 李昕,张云鹏,李红红,等.针对个体差异的心理压力评估[J].中国生物医学工程学报,2014,33(1):45-50.

[7] 李延军,严洪,杨向林,等.基于心率变异性的精神疲劳的研究[J].中国生物医学工程学报,2010,29(1):1-6.

[8] 夏岚,王见荣,梁妃学,等.基于生理信号的精神疲劳评估[J].南方医科大学学报,2012,32(6):870-873.

[9] 陈芷枫,赵芸芸,汪杏,等.基于心率变异性分析针刺对自主神经功能调节作用研究近况[J].上海针灸杂志,2016,35(6):754-757.

[10] 武弋,李宏永,张喆,等.改进的N-back范式工作记忆认知实验研究[J].中国健康心理学杂志,2013,21(11):1679-1682.

[11] 王步青,柴晓珂,张政波,等.心电图和光电容积脉搏波计算心率变异性的比较研究[J].中国医疗器械杂志,2015,39(4):249-252.

[12] 王步青,王卫东.心率变异性分析方法的研究进展[J].北京生物医学工程,2007,26(5):551-554.

[13] 谢瑛瑛,诸强.心率变异性的检测与分析[J].北京生物医学工程,2010,29(2):215-219.

[14] 王步青,张政波,王卫东.心率变异性分析系统的开发[J].中国医疗器械杂志,2012,(5):333-337.

[15] 胡华,吴爱勤.焦虑症的特质焦虑水平与心率变异性相关研究[J].临床精神医学杂志,2007,17(2):85-87.

[16] Shaffer F,McCraty R,Zerr CL.A healthy heart is not a metronome: an integrative review of the heart’s anatomy and heart rate variability[J].Front Psychol,2014,5:1040.

WANG Bu-qing, WANG Min, LIU Hong-yun, WANG Wei-dong
Department of Medical Engineering and Maintenance center, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

Abstract：Objective To explore the changing trend of sympathetic nervous system and parasympathetic nervous system with the changing of mental stress, this process was accomplished by studying the relationship between heart rate variability parameters and mental workload in healthy adult males. Methods First, a mental stress experiment system was designed based on N-BACK experimental paradigm. Second, the mental stress test was performed on 30 male college graduate to acquire ECG signal under different mental stress level. Then the heart rate variability of ECG was analyzed. Results The calculation results showed that RMSSD as well as SDNN in time domain and the high frequency power components in frequency domain were decreased with the increasing of mental stress. Conclusion This study has reference value for the assessment of autonomic nervous system state and mental stress.

Key words：mental stress; heart rate variability; time domain analysis; frequency domain analysis; autonomic nervous system

基金项目：解放军总医院临床科研扶持基金（2015FC-CXYY-1008）；科技支撑计划课题（2013BAI03B03）；科技支撑计划课题（2013BAI03B04）。

基于心率变异性与精神负荷关系的研究

引言

1 方法和流程

2 结果

3 讨论