第34 期 民國 103 年 12 月 21 - 26 頁 Vol. 34, December 2014 pp. 21 - 26
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1996 年 歐 洲 心 臟 學 會 （ European Society of Cardiology）及北美心律電生理學會（North American Society of Pacing and Electrophysiology）成立了一個 特別工作小組，公佈了「心律變異性（Heart Rate Variability, HRV）之量測，生理意義及臨床應用」的 國際標準。這個由十七位國際心臟及生物物理學家所 組成的工作小組，首次將心電圖機（ECG）量測心律 及心律變異性（HRV）的步驟加以標準化。一旦有了 這套標準，醫界才能夠找出病人因自律神經系統失 常、所引發出的問題。此已發展成國際標準規範- HRV （心律變異）及ANS（自律神經）功能量測法。݈֏
2009 年台灣醫界﹝1﹞翁根本，何慈育及歐善福 曾述及心律變動性的分析，最早是用於預測心肌梗塞 病人的預後﹝2,3﹞，如猝死和非致命性的心律不 整，頻域分析法和時域分析法對預測猝死的功能相 當，但頻域分析法比起時域分析法，較能分辨副交感 神經和交感神經影響力；自主神經系統對於心律不整 的產生，如惡性心室心律不整等，扮演關鍵性角色， 而副交感神經則可減少惡性心室心律不整，提供保護 作用﹝4,5﹞。對心肌梗塞病人而言，病發後 2 至 3 週，心律變動性會減低到正常25%，因此完整心律變 動性檢查，可做為預後的參考。Kleiger 等﹝5﹞最早 報導 SDNN 可預測心肌梗塞後的死亡，是獨立於已 知危險因子如左心室輸出率（LVEF）或心室心律不 整。Bigger 等﹝6﹞則發現總功率等頻域分析法非常 有效預測心肌梗塞後的死亡，是獨立於已知危險因子 如年紀、紐約心臟學會心功能分級、加護病房聽診的 肺水泡音、左心室輸出率或心室心律不整。另有些研 究指出心律變動性可預測心衰竭病人的死亡。心律變 動性檢查是有用的、容易做、且不昂貴的，可用於監 測一個疾病（如心肌梗塞）的進展或治療後的成效。 臨床上，心律變動性曾被用於研究多種兒科疾病，包 括先天性心臟病，心肌炎，糖尿病，新生兒呼吸窘迫 症，嬰兒猝死症等。Massin 等﹝7,8﹞首先報導健康 兒童和先天性心臟病童心律變動性差異性，依紐約心 臟學會心臟功能分級，二至四級先天性心臟病童皆有 心律變動性減低的情形。நኢ
1. ͕ޠតளّĞHRVğ 目前心律變異（HRV）的計算公式二十幾種，如 果一次測量時段在5 分鐘以上，各種計算的結果就能 趨於一致。心律變異性的變化很大，如果依個人每分 鐘跳六十下，但是實際測量心律變異性時，會發現每 次心跳之間的時間並不是一秒鐘，通常心律變異性可 以從0.5 秒~2 秒鐘，都是有可能的。心律變異性受到 很多因素影響。通常安靜休息時，心律變異性的值是 最大的，當激烈運動時，心跳速率加快，心律變異性 1 亞東技術學院電機系 2 亞東醫院臨床病理科醫師 * 通訊作者：張堯盛 E-mail：[email protected]會變小；另外當處於壓力狀態時，心律變異性也會降 低下來。心律變異性受到自律神經系統的控制。人體 交感神經作用時，心跳速率增加，但心律變異性會降 低；副交感神經則有相反功能，能夠降低心跳速率， 但心律變異性會增加。目前，醫界可以使用心電圖（通 常在手腳或胸部貼上電極片量測），可以精確地測到 心電號，並計算出心電波型之主峰R-R 間距，心律， 及心律變異性。以心律變異性的計算方式來說，除了 以時間範圍分析（Time Domain Analysis）計算平均
值 及 標 準 偏 差 外 ， 還 可 以 頻 譜 分 析 （Frequency Domain Analysis）計算出特定頻率範圍之功率。圖一 為心律變異性的計算。 ဦ˘ ͕ޠតளّ۞ࢍზ HRV 之生理意義：1.心律變異性（HRV）：自律 神經系統總活性指標；2.高頻成份（High Frequency, HF ）： 副 交 感 神 經 活 性 指 標 ； 3. 低 頻 成 份 （ Low Frequency, LF）：交感與副交感神經活性指標；4.高頻 成份百分比（HF%，等於 HF/（HF+LF））；5.副交感 神經活性指標低頻成份百分比（LF%，等於 LF/ （HF+LF））；6.交感神經活性指標低頻/高頻成份比值 （LF/HF）；7.交感/副交感神經平衡指標（其中 LF 之 頻率範圍為0.04-0.15 Hz；而 HF 則為 0.15-0.4 Hz）。 ［網路資料來源］ 當HRV 的計算方式確立後，醫界進一步將 HRV 量測結果，應用在臨床上檢測疾病，包括心臟，心血 管，糖尿等疾病，發現HRV 的變化，與某些疾病有 很大的關係，因此監測 HRV，已成為預防疾病的方 法之一。過去多年來，醫界的臨床研究發現，HRV 降低和年紀增加、自律神經系統失調、荷爾蒙失調、 糖尿病神經系統問題和心肌梗塞病人的猝死症，都有 很大關係。除了生理外，心理問題如憂鬱、恐慌症和 焦慮等，都會對自律神經系統帶來負面作用，造成副 交感神經無法正常運作，交感神經功能增強，引發心 室纖維性顫動，這兩種因素，可以解是許多得過心肌 梗塞的病人，雖然痊癒，但會因情緒和心理因素，造 成猝死的結果。由於HRV 的臨床意義，因此 HRV 成 為測量生理機能和自律神經系統是否平衡的重要方 法。近年來，醫界投入愈來愈多的研究，以HRV 的 變動，找出生理和心理聯繫，解決許多人的疾病困擾。 2. डγम̒ঘᆇࣧந 本研究所採用的Zeeman Laser 輸出光源即是互 相 正 交 的 垂 直 偏 振 光 和 水 平 偏 振 光 ， 差 頻 為 2.6MHz，光波長為 632.991354nm，它是屬於一種穩 頻、連續波的雷射，它最大優點在於其光束同時具有 偏極化（polarized）以及兩個不同頻率且互相正交的 偏振等性，當光束經過偏振器後，兩偏振表會產生拍 頻（Beat）信號外差干涉現象。圖二為雷射外差干涉 儀內部詳圖。 ဦ˟ डγम̒ঘᆇ̰ొྎဦ 齊曼外差光源之雷射譜線 6328Å 分裂成左右旋 圓偏振光，差頻Δf = f1 - f2 = 2.6MHz，該左右旋圓偏 振光經過λ/4（waveplate）波片後，各變為兩個互相 正交的線偏振光。圖三為凸透鏡聚焦的反射手腕架構 示意圖。進入干涉光路後，光波在分光鏡（Beam splitter, BS）分成兩部份，分別進入干涉儀 R 光路徑 及T 光路徑。干涉儀 R 光路徑的兩個頻率 f1與 f2的
光波走的光路是重合的。而干涉儀Ｔ光路徑會將兩頻 率 f1與 f2的正交線偏振光，用偏極分光鏡（Polarization beam splitter, PBS）分成垂直偏振光和水平偏振光， 使兩道偏振光行經不同路徑，造成光程差，最後在偏 振器（Polarizer, P）P2 前重合在一起。最後 R 光路徑 和T 光路徑兩道正交線偏振光分別經過偏振器 P1 和 P2 取垂直和水平投影分量，經光偵測器（Photo detector, PD）PD1 和 PD2 轉成電子信號,分別作為參 考信號與感測信號，最後送入相位計（phase meter） 或條紋計數器（fringe counter）進行解調。 ဦˬ Ύᙡჸ൏ͅड͘ඦߛၹϯຍဦpHH 首先，干涉儀R 光路徑的重合光波，其電場可表 示為 ) 2 cos( ) 2 cos( ) ( r1 1 r1 r2 2 r2 r t E ft E ft E (1) Er1和 Er2為兩正交偏振光之振幅，r1和r2是行 經不同光路所產生的相位。所以在光偵測器接收到的 光強度變化為
2 ) ( ) (t E t Ir r
Er12/2
Er22/2
)] ( ) ( 2 cos[ 1 2 1 2 2 1 r r r r E f f t E )] ( ) ( 2 cos[ 1 2 1 2 2 1 r r r r E f f t E (2) 由於可見光的頻率約為1014 Hz，對於頻率 2f 1、 2f2及 f1+f2的項次，無法被光偵測器所量測到。所以 光強度信號經光偵測器轉為電子信號後，只留下直流 項與頻率為 f1-f2的交流項。外差干涉術只考慮交流 項，直流項在電子信號處理時可去除，而頻率 f1-f2 的餘弦信號帶有干涉相位變數
r1
r2。故外差干涉 儀得到的參考信號為]
)
(
2
cos[
)
(
r r rt
V
f
V
(3) 其中，Vr為參考光振幅，差頻f f1f2，參 考光相位rr1r2。同理，外差干涉儀得到的感 測信號可表示為]
)
(
2
cos[
)
(
t t tt
V
f
V
(4) 其中，Vt 為量測光振幅，差頻f f1f2，參 考光相位t t1t2。將參考光信號和量測光信號 送入鎖相放大器或相位計解調，可得到兩個信號之間 的相位差計算出，心律，及心律變異性。 當 OPD<λ時，在示波器上可看到相差
的參 考信號與量測信號。此相位差
可用鎖相放大器解 調出來。若 OPD>λ時，則公式寫成
m
e
m
N
OPD
2
)
(
2
2
2
(5)其中：OPD 是干涉儀的光程差（optical path difference, OPD）即心電波型之主峰 R-R 間距，λ是 光源的波長。N 是干涉條紋數（大於 2π 的個數），m、 e 分別是 N 的整數與小數部份，
是小於2π 的相位 項。圖二中，一具有凸透鏡聚焦的手腕，以心律速度 ν （ ν<<c ） 平 移 ， 則 心 律 產 生 都 卜 勒 頻 移 為 c fv fD2 ，當可動反射手腕朝光源方向移動，取正 號；反之取負號。另外將以時間範圍分析（Time Domain Analysis）計算平均值及標準偏差，以評估心 律變異性。此HRV 量測結果，將應用在臨床上檢測 疾病，包括心臟，心血管，糖尿等疾病，早期發現HRV 的變化與某些疾病的關係。
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1. 目前，醫界可以使用心電圖（通常在手腳或胸 部貼上電極片量測），可以精確地測到心電信 號，本研究參考光信號和量測光信號送入相位 計解調，可得到兩個信號之間的相位差計算 出。並計算出心電波型之主峰R-R 間距，心律 及心律變異性。如圖四。 ဦα ͕گݭ̝पR-R มĂ͕ޠ͕̈́ޠតளّ 2. 以心律變異性的計算方式來說，除了以時間範 圍分析（Time Domain Analysis）計算平均值 及標準偏差。即參考光信號和量測光信號送入 鎖相放大器或相位計解調，可得到兩個信號之 間的相位差計算出，心律及心律變異性改以平 均值及標準偏差表示。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 律變動性。 平均值：
N RRi N RR Mean 1
N RRi MeanRR N SDNN 1 (( )2 572 . 2 5 1 . 3 4 . 2 55 . 2 35 . 2 45 . 2 RR Mean 標準偏差： 0.2615 ] 2.572) -(3.1 2.572) -(2.4 2.572) -(2.55 2.572) -(2.35 2.572) -[(2.45 5 1 2 2 2 2 2 SDNN 3. 本研究將光電干涉量測技術成功分析在心 律變異性，圖五則是將每個RR 依時間序列 所繪出的圖形。量測自律神經（HRV）時， 必須要經由連續長時段心電圖來做篩選，一 般在醫院或健檢單位所做的心電圖，大約只 有5 ~ 10 秒的數值而已，一個人的心臟初期 發生病變或是有心率不整的現象時，往往在 5 ~ 10 秒的心電圖資料中是看不到的。 ဦ̣ Տ࣎ RR ֶॡมԔЕٙᘱ۞ဦԛ 4. 本研究將於第二階段改善進階並了解病理，實 際臨床患者在心律變異性之分析研究，預測早 產兒和新生兒或心肌梗塞病人的預後，有所助 益。未來將心電圖（ECG）量測心律及心律變 異性（HRV）的步驟加以標準化新穎的共光程 干涉系統，新穎的共光程干涉系統，解決環境 雜訊溫差等干擾，將配合這套標準，能夠找出 病人因自律神經系統失常所引發出的問題。ણ҂͛ᚥ
1. 翁根本，何慈育及歐善福等 台灣醫界 2009, Vol.52, No.6 2. Kleiger RE, Miller JP, Bigger JT Jr, et al.: Decreased heart ratevariability and its association with increased mortality after acute myocardial infarction. Am J Cardiol1987;59:256-262
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