心律變異性

第二章 文獻探討

第一節 心律變異性

壹、心率變異性

心臟的跳動、速率及穩定，是依複雜而相互影響的神經系統而形成的，而除了本身 的節律性放電引發的跳動之外，也受自主神經(Autonomic nervous system; ANS)的交感神 經(Sympathetic)及副交感神經(Parasympathetic nerve)所影響。相對的，自主神經也影響 整個身體功能的平衡狀態，所以藉由評估自主神經功能，便可推知及了解心臟、身體各 器官功能 (Shellenberger & Green, 1986; Berntson et al.,1997; Schwartz & Schwartz, 2003)。心率變異性(Heart rate variability; HRV)是由 Akselrod 等人 (1981）所使用來評估 自主神經功能的一種無創性方法。可藉由心電圖或脈搏量測其連續心跳速率變化來計算 分析的一種方式。主要是分析其心跳與心跳間隔的時間序列，最常使用的就是以心電圖

中的R 波，藉由計算 RR 之間的時間間隔，而成為各種數值，而藉由這些數值，可了解

心理生理的各種變化。因心臟跳動主要由右心房的竇房結放電，而產生規律的跳動。而

竇房結放電主要是受到自主神經影響。故HRV 在臨床研究上用來評估 ANS 功能方面，

而這門技術已使用超過二十年餘年(陳、蔡、羅、蔡、鄭，2005；王、黃，2007； Yang, Hong, & Tsai, 2010)。

心率變異性的分析方式的統一，是由1996 年 ESC (European Society of Cardiology) 及NASPE (the North American Society of Pacing Electrophysiology)兩個組織所共同研發 擬定，分為兩種分析方式-時域（或稱為時間域，Time domain），頻域(或稱為頻率域，

Frequency domain)。Time domain 是以 24 小時心電圖紀錄為基準資料，將連續心電圖中

的每一 QRS 複合波之間隔被偵測出並分析，相鄰的 R 波代表著心跳之週期，此間距即

為R-R interval，而由連續的 R-R interval 所構成的連續間距則代表著心率變動性，定義

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為 Normal-to-Normal (NN) interval。臨床上較常用來分析的指標如下- SDNN(Standard deviation normal to normal )經常被用來作衡量整體心血管的適應性，有學者指出 SDNN 也可用來預測心肌梗塞後的死亡(Kleiger, Miller, Bigger, & Moss, 1987)。而 RMSSD(Root mean square of successive differences)可以反映副交感神經活性(Gutin, Barbeau, Litaker, Ferguson, & Owens, 2000)。SDNN index (Standard deviation of all normal to normal intervals index)，可用來測定短程心率變動性指標。另外還有 NN50 (Number of pairs of adjacent NN intervals differing by more than 50 ms in the entire recording)、pNN50 (NN50 count divided by the total number of all NN intervals)，這兩個指標也都有具有良好的統計 特性(Task force ESC/NASPE 1996)。而 Frequency domain 計算方法為將心跳間隔的時間 序列，利用快速傅立葉轉換(fast Fourier transformation, FFT)的公式將之轉換為頻域，以 功率譜分析(Power spectrum analysis; PSA)或是頻譜分布(Spectral distribution)的方式來分 析功率 (即變異數)在各種不同頻率時的分佈情形。Frequency domain 則被用於評估自主 神經的平衡。High-frequency power (HF)主要是指 NN 期間呼吸調節與心臟的迷走神經所 傳出的衝動，而這衝動可由atropine（副交感神經阻斷劑）取消，HF 通常也是代表副交 感神經活性(Brown, Beightol, Koh, & Eckberg, 1993; Kamath & Fallen, 1993; Bloomfield et al., 2001)。Lower-frequency power (LF)是由身體自動反射(baroreflexes)與交感神經和副交

感神經所傳出到竇房結的神經流量，也代表著交感神經和副交感神經活性(Appel,

Berger, Saul, Smith, & Cohen, 1989; Billman & Dujardin, 1990; Furlan et al., 1990;

Odemuyiwa et al., 1991; Kamath & Fallen, 1993; Bloomfield et al., 1997; Taylor, Carr, Myers, & Eckberg, 1998)。LF / HF 功率比(LF/HF power ratio)則反映自主神經功能之間的 平衡( Kamath & Fallen, 1993)。Total power (TP)：通常指正常心跳間期的變異數。(Lee, 2004; Kleiger, Stein, & Bigger, 2005)。有學者認為兩者的分析功能中，Frequency domain 比較能評估交感及副交感神經的活性，也較能短時間內分析出來。則Time domain 計算 方法簡單，也能對自主神經做長時間且晝夜的變化監測（陳、郭、駱，2000； 翁、何、

歐、林、謝，2009； Task force ESC/NASPE 1996; Pumprla, Howorka, Groves, Chester, &

Nolan, 2002）。本研究則以 Frequency domain 作為評估介入措施對 HRV 影響的評估工

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具。心率變異性的分析法及測量指標、定義、臨床意義及成人標準值綜合各文獻整理如 下表1-1-1（陳、蔡、羅、蔡、鄭，2005；翁、何、歐、林、謝，2009；Modanlou, Freeman,

& Braly, 1977; Malik & Camm, 1990; Kleiger, Stein, Bosner, & Rottman, 1992, Task force ESC/NASPE 1996）。而時域分析法及頻域分析法兩者的高度相關指標則為表 1-1-2(Task force ESC/NASPE 1996)。

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頻域分析法-Frequency domain (續)

指標 單位 定義 臨床意義 成人標準值

Ratio LF [ms2]/HF[ms2]

反映自主神經活

性平衡

表1 -1-2 時域分析法及頻域分析法的高度相關指標

Time Domain Frequency Domain

SDNN Total power

SDNN index TP

SDANN ULF(ultra-low frequencies) 超低頻

RMSSD HF

SDSD HF

NN50 count HF

pNN50 HF

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心率變異性分析除了可用來評估自主神經功能外，也可以評估各種心臟和非心臟疾 病 的 風 險 。 這 些 包 括 關 於 自 主 神 經 功 能 病 變 的 疾 病 ， 如 糖 尿 病 (Gundersen &

Neubauer;1977; Ewing, Campbell, & Clarke, 1980; Ewing, Martyn, Young, & Clarke, 1985) 及家族性澱粉樣多發性神經病變(Niklasson, Olofsson, & Bjerle; 1989)、充血性心臟衰竭 (Casolo, Balli, Taddei, Amuhasi, & Gori, 1989)、查加斯病(Chagas disease)所引起的心衰竭 (Guzzetti, 1990)，還有高血壓，中風，多發性硬化，晚期腎病，新生兒窘迫，缺血性心 Luecken, 2006; Lehrer, 2007)。

尤其是心肌梗塞部分，因為急性心肌梗死，造成心臟自律神經，特別是副交感神經，

活動減少，也因為如此導致自主神經去神經，使心臟更容易受到潛在的致命性心率失常 而致死 (Hinkle, Carver, & Plakun, 1972; Lown & Verrier, 1976; Kleiger, Miller, Bigger, &

Moss, 1987; Bigger et al., 1988; Wolf, Varigos, Hunt, & Sloman, 1978; Camm & Ewing, 1991; Farrell et al., 1991; Huikuri et al., 1996; Dekker et al., 2000)。雖然在臨床上 HRV 與左 心室射血分數（Left ventricular ejection fraction; LVEF）都可以用來預測心血管疾病的死 亡率，但在 1991 年的 Odemuyiwa 等的研究中顯示 HRV 有較 LVEF 高的靈敏度及特異 性。而在1987 年 Kleiger、Miller、Bigger 及 Moss 對 808 位急性心肌梗死（Acute myocardial infarction; AMI）患者進行長期 HRV 變化的研究，追蹤時間為平均 31 個月。發現 HRV 小於50 毫秒比超過 100 毫秒的死亡率高 5.3 倍。另外也有研究同樣是對 HRV 與心血管 疾病死亡率的預測價值進行了評估。在 1000 天追蹤 567 有心血管疾病的病人，結果發 現 低 的 HRV 患 者 死 亡 率 較 高 ， 其 中 所 測 得 的 數 值 為 SDNN-3.0 RMSSD-2.8 和 NN50-3.5(Villella et al., 1995)。而這結果與 1992 年 Bigger 等所做的研究結果相同(偏低

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的SDNN、SDANN index、RMSSD、pNN50)，另外 LF 及 HF 都有偏低情形。由此可知，

提升心率變異性是有多重要。

影響心率變異性的因素有很多，心率失常和噪聲也顯著影響的 HRV 評估的精準

度 ， 即 使 在 簡 單 的 時 域 算 法 的 情 況 下 ， 某 些 患 者 （ 例 如 ， 內 科 疾 病 或不合作，精神病患者）容易使HRV 技術無法順利進行(Yang, Hong, & Tsai, 2010)。另

外其他的因素還包含包括心跳速率、年齡、性別、姿勢、運動程度、晝夜變化、急性心 年齡逐漸減弱。(Gribbin, Pickering, Sleight, & Peto, 1971; O'Brien, O'Hare & Corrall, 1986;

Ryan, Goldberger, Pincus, Mietus, & Lipsitz, 1994; Bigger et al., 1995; Liao et al., 1995;

Piccirillo, Fimognari, Viola, & Marigliano, 1995; Goldberger, 1996; Huikuri et al., 1996;

Umetani, Singer, McCraty, & Atkinson, 1998; Barnett et al., 1999; Fagard, Pardaens, &

Staessen, 1999; Kuo et al., 1999; Fagard, 2000; Holle, Happich, Löwel, & Wichmann, 2005;

Shimazu, Tamura, & Shimazu, 2005; Dietrich et al., 2006; Lehrer et al., 2006; Voss, Schulz, Schroeder, Baumert, & Caminal, 2009; Yukishita et al., 2010; Moodithaya, & Avadhany, 2011; Voss, Heitmann, Schroeder, Peters & Perz, 2012)。

而在性別部分，年輕男性 HRV 會比女性高，但中老年之後會較女性下降，這原因

可能是因為絕經狀態而影響交感神經變化所致(Ramaekers, Ector, Aubert, Rubens, & Van de Werf, 1998; Umetani, Singer, McCraty, & Atkinson, 1998; Narkiewicz et al., 2005; Lehrer et al., 2006; Sztajzel, Jung, & Bayes de Luna, 2008; Fagard, 2000; Yukishita et al., 2010)，也

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有研究表示，自主神經在性別上，男性會偏向於由交感神經支配，則女性會以副交感支 配為主 (Ryan, Goldberger, Pincus, Mietus, & Lipsitz, 1994; Barnett et al., 1999; Barantke et al., 2008; Evans et al., 2001; Voss, Schroeder, Heitmann, Peters, & Perz, 2014)。但也有學者 表示年齡對HRV 不會影響，有研究是在 2005 年對健康成人進行 5 分鐘時間心電圖進行

Griffin, 2007; Barantke et al., 2008)。運動在許多研究中表示是可以提升 HRV，而不同的 運動類型、強度及時間，會產生不同的影響。例如如果從事長期規律性、高強度或耐力

性的運動，是可以增加 HRV 並減少心臟疾病的風險。但如果是短期、中強度或有氧性

的運動則對HRV 無顯著影響（陳，2007；吳、吳，2008；Ishida & Okada, 1997; Boutcher, Cotton, Nurhayati, Craig, & McLaren, 1997; La Rovere et al.,1998; Catai et al., 2002; Perini, Fisher, Veicsteinas, & Pendergast, 2002; Pichot et al., 2002; Carter, Banister, & Blaber, 2003;

Leicht, Allen, & Hoey, 2003; Lu & Kuo, 2003）。

有 許 多 研 究 發 現 ， 不 管 在 成 人 或 孩 童 的 肥 胖 者 中 ， 副 交 感 神 經 活 性 會 偏 低 (Zahorska-Markiewicz, Kuagowska, Kucio, & Klin, 1993; Gutin, Owens, Slavens, Riggs, &

Treiber, 1997; Gutin et al., 2000)，而有過體能訓練者則會偏高。(Seals & Chase, 1989; De Meersman, 1992; Goldsmith, Bigger, Steinman, & Fleiss, 1992; Puig et al., 1993; Galetta et al., 1993; Shi, Kiilavuori, Toivonen, Naveri, & Leinonen, 1995; Stevens, Foresman, Stern, &

Raven, 1995; Davy, Miniclier, Taylor, Stevenson, & Seals, 1996; Goldsmith, Bigger Jr, Bloomfield, & Steinman, 1997; Shin et al., 1997; Levy et al., 1998)。

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因此，HRV 的分析是一種功能強大，客觀又非侵入性，可衡量神經血管功能的工 具。不只可反映心臟，神經系統動態，又可用於探索生理，心理，情感，行為之間的相 互影響(Malik, 1996; Tiller, McCraty, & Atkinson, 1996; McCraty & Tomasino, 2004 )。又因

為 HRV 與自主神經有關，故無論是交感神經和副交感神經系統有助於提高心血管調節

(Levy & Pappano, 2007)。另也有學者研究心臟自主神經控制和注意力性能之間的關係，

結果發現心血管包括經由增強交感神經和降低迷走神經來影響心血管調節，以及壓力感 受 性 反 射 抑 制 可 能 誘 發 與 改 善 關 於 認 知 能 力 ， 注 意 力 的 適 應 狀 態 (Duschek, Muckenthaler, Werner, & del Paso, 2009) 。HRV 功率譜的 LF 範圍內的高幅度峰約在 0.1 赫茲的頻率，通常與交感和副交感神經系統的控制和壓力反射增益高度相關(Berntson et al., 1997)。如果在生理平衡上維持該模式，則會提高效率，身體系統活性的相互和諧作 用。而在心理上，則會降低壓力相關的感知，提高情緒的平衡，並提高認知能力 (Barrios-Choplin, McCraty, & Cryer, 1997; McCraty, 2002)。也因為 HRV 與自主神經功能 有關，所以也有研究藉由 HRV 來探討胃食道逆流(Gastroesophageal Reflux Diseases;

GERD)患者群的自主神經功能(Lee, 2004)。

在對心血管疾病的研究中可以發現，幾個精神病症的症狀、跡象都與自主神經功能 失調有關(Carney, 2001)，例如憂鬱症方面，憂鬱症患者的口乾，便秘/腹瀉或失眠 (Yang, Hong, & Tsai, 2010)。所以近年來，憂鬱症和自主神經系統功能障礙之間的關連，已引 起許多學者進行研究，且研究結果顯示高度相關性(Krittayaphong et al., 1997; Agelink, Boz., Ullrich & Andrich, 2002; Karavidas et al.,2007)。而在 2000 年就有學者表示，憂鬱症 和心血管疾病的共病發生，是必然的結果，且憂鬱症患者突發心血管疾病而死亡的速度 是高於預期的(Roose, 2000)；2001 年 Carney 等人對於近期有心肌梗塞的憂鬱症患者進 行與HRV 相關性研究。共有 380 名有急性心肌梗塞的憂鬱症患者，和 424 名急性心肌

梗塞的但沒有憂鬱症的患者參與研究，參與者全部是在出院後進行 24 小時電圖監測。

結果發現 HRV 在有憂鬱症的患者比沒有憂鬱症的患者顯著降低。但也有學者表示，穩

定的冠心症患者則有相反的結果，Gehi, Mangano, Pipkin, Browner, & Whooley (2005)於

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對873 門診穩定型冠心病的患者，進行 24 小時心電圖來監測 HRV，其中有 195 名參與 者（22％）有憂鬱症。結果卻發現有憂鬱症的冠心症患者並沒有比沒有憂鬱症的 HRV 低。

但也有研究發現，對於有缺血性心臟疾病的憂鬱症患者，HRV 降低方面可以使用

但也有研究發現，對於有缺血性心臟疾病的憂鬱症患者，HRV 降低方面可以使用