测量自主神经系统活动通常需要研究人员和参与者待在实验室中，而这种环境可能对儿童造成压力。VU大学动态监测系统（VU-AMS）设备可在任何环境中记录心脏自主神经调控。VU-AMS已被证实非常适合用于儿童测试。
本文内容
摘要
摘要
自主神经系统（ANS）主要调控机体在稳态过程中涉及的自动生理功能，如心率、消化、呼吸频率、唾液分泌、出汗和肾功能。自主神经系统主要有两个分支：交感神经系统，负责在危险和应激状态下使人体为行动做好准备；副交感神经系统，负责调节身体的静息状态。
自主神经系统（ANS）活动可以通过侵入性方法进行测量，例如放射性示踪剂技术或从表浅神经记录微电极信号；也可以通过非侵入性方法，利用器官反应的变化作为ANS活动变化的间接指标，例如汗腺或心脏的反应。侵入性测量具有最高的有效性，但在大样本研究中可行性极低，因此非侵入性测量是首选方法。自主神经系统对心脏的影响可通过心电图（ECG）与阻抗心电图（ICG）联合记录进行可靠量化，其中ICG反映胸腔阻抗随呼吸及心室将血液射入主动脉所产生的变化。通过呼吸和ECG信号，可提取呼吸性窦性心律不齐作为心迷走神经控制的指标；通过ECG和左心室射血信号，可提取预射血期作为心交感神经控制的指标。ECG和ICG记录通常在实验室环境中进行。然而，要求受试者前往实验室会显著降低生态效度，在大规模流行病学研究中并非总能实现，且可能使年幼儿童感到恐惧。一种可穿戴式设备能够同时记录ECG和ICG，从而有效解决上述三个问题。
本研究采用一种经验证的便携式设备——荷兰阿姆斯特丹自由大学动态监测系统（VU University Ambulatory Monitoring System, VU-AMS, 荷兰阿姆斯特丹，www.vu-ams.nl）1-5，对儿童心脏自主神经调控进行微创且快速的评估。
方案
1. 准备：启动
- 您需要：
- 一台 VU-AMS5fs 便携式记录设备（包括一根红外接口线缆，可连接至 PC 的 RS232 串行端口或 USB 端口）。
- 7 个电极（我们使用的是 ConMed 1690-003）。
- 两节充满电的 AA 电池。
- 一张空白的 CompactFlash 存储卡（VU-AMS5fs 已经对 Transcend（TS1GCF80）的 1GB 80x CF 卡进行了广泛测试，但其他 CF 卡也应可用）。
- 一台配备读卡器并已安装数据管理与分析软件（DAMS）套件的笔记本电脑或台式机。
- 一块秒表。
- 音乐播放器、儿童故事音频、耳机以及一张小型自充气床垫为可选设备。
- 请检查笔记本电脑/台式机上的时间和日期设置，因为这些信息将作为元数据记录在您的文件中。将空白存储卡和充满电的电池装入 VU-AMS 设备中（正确安装会发出三声蜂鸣提示）。当设备处于待机状态时，绿灯每十秒闪烁两次，表示设备已准备就绪，但尚未开始记录。现在使用提供的线缆将设备连接到电脑，并启动 DAMS 程序。建立与设备的通信（选择“设备”选项卡，并选择合适的连接模式：红外线缆或蓝牙）。
- 让受试者脱去上身衣物。在放置电极的位置，使用酒精棉片清洁皮肤，并将七个电极贴于胸部和背部（图 1）。然后按照颜色编码连接导联线，并将其接入设备。
- 检查电池类型及电池电压指示（碱性电池应约为 3.4 V，可充电 NiMH 电池应约为 2.4 V）。填写识别信息字段。典型的采样频率如图所示（图 2）。
- 以毫米为单位测量两个胸部电极之间的距离，并将该数值填入“ICG-V 距离”字段。然后点击“发送设置”，将当前设置/身份信息发送至设备。
- 现在应使用程序中的“在线”（Online）功能来显示心电图（ECG）、ΔZ（代表呼吸信号）和 dZ/dt（代表 ICG 信号）。ΔZ 信号反映的是穿过胸腔的基础阻抗，经过适当滤波后可用于高保真地提取呼吸信号7。dZ/dt 信号是 ΔZ 对时间的微分，反映与心室将血液射入主动脉相关的 ΔZ 快速变化。
- ECG 中应能清晰检测到 QRST 波群。R 波应向上，并且在两个方向中应为振幅最大（绝对值）的峰值。
- ΔZ 信号大部分时间应在 -0.5 至 +0.5 Ω 范围内，dZ/dt 信号应在 -1 至 +1 Ω/sec 范围内。
- Z0 应始终维持在 8 至 20 Ω 的范围内。这种变化反映了胸腔阻抗信号依赖于测量电极之间的距离（与儿童身高相关），以及被电极包围的胸腔柱的“湿润程度”；身体成分差异（例如 BMI）可能影响 dZ/dt 信号的振幅（脂肪组织含水量低于肌肉组织）。个体间 Z0 绝对振幅的差异也会反映在 ΔZ 信号中，但这不影响收缩时间间期的测定，因为后者与振幅无关。
- ΔZ 信号应能清晰反映受试者的深呼吸（指导儿童缓慢深吸气并缓慢呼气）。
- 在 ICG 信号中，代表心脏射血期的典型上升波形应清晰可辨。受试者轻微活动不应导致 dZ/dt 信号失真。如果上述标准未满足，请重新清洁皮肤并重新粘贴电极，直至获得满意的信号。
- 当获得良好信号后，按下“开始”按钮启动数据记录。您将听到一声蜂鸣声，表示记录已开始，绿灯开始每三秒闪烁一次，注册过程现已启动。关闭 VU-DAMS 程序。此时可以断开设备与接口线缆的连接。
2. 注册期限
- 注册开始后，让儿童躺下以进行第一项实验条件。当儿童处于仰卧位（无头部抬高倾斜）两分钟后，短暂地（< 2 s）按下设备顶部的小黑按钮。按下此按钮将标记一个特殊事件，以便后续在数据中识别该实验条件的起始点。
- 四分钟后，再次按下事件按钮，表示仰卧条件结束。随后让儿童坐起，并对第二个实验条件重复相同操作：按下按钮，等待四分钟，再按下按钮一次。在此期间，应指导儿童保持安静休息。
- 要停止测量，请按住按钮至少 3 秒。指示灯每 10 秒闪烁一次，表示设备已停止并进入“待机”模式。设备停止后，可将导线插头从连接器上拔下，并将导线从电极上取下。
- 从 VU-AMS 设备中取出电池和闪存卡，并将闪存卡插入读卡器。将采集到的文件移至指定目录（通常该目录名称与识别字段中使用的受试者编号相同）。
3. 数据处理
- 使用 VU-DAMS 程序打开数据后，数据将自动从原始数据格式（扩展名为 .5fs）转换为新格式（扩展名为 .amsdata）。此即 VU-DAMS 在后续步骤中将使用的数据文件。
- 首先从 ECG 信号中提取心动周期间期（Inter Beat Interval）时间序列。选择 检测 R 波峰 选项卡。自动化算法将检测 ECG 信号中的所有 R 波峰，并自动标记（如存在）ECG 质量极低的时段以供剔除。左上角会显示蓝色（正确）、黄色（中度可疑）或红色（高度可疑）的数量。按“.”（句点）键可将光标移至下一个可疑的 R 波峰，用户可手动删除或添加 R 波标记。建议至少对所有高度可疑的心搏进行目视检查。
- 主要目标是获得实验条件下心率、射血前期间期（PEP）以及呼吸性窦性心律不齐（RSA、HF、RMSSD）指标的平均值。因此，需标明原始数据中对应于这些条件的时间段。该过程称为“数据标注”。选择 标注数据 选项卡。两个面板分别显示心率信号和运动信号，以及记录的实际时间。
- 将鼠标光标移至顶部标有“单击并拖动以添加标签”的横条处，从第一个实验条件的起始时间开始，拖动鼠标至该条件的结束时间。这些时间可来自数据采集期间记录的起止时间书面记录，也可使用在每个条件开始和结束时按下按钮生成的起止标记（即贯穿心率和运动图谱的垂直线）。
- 每个标签可赋予一个（唯一）标识符以表示特定条件。在本例中，我们的标签仅有一个类别：实验条件。该类别包含两个值：平躺和坐起。
- VU-DAMS 需通过一个称为标签配置文件（label.cfg）的文件了解实验设计。这是一个可用大多数文本编辑器打开的 ASCII 文件，其示例如下：
# exp_condition
10 平躺
11 坐起 - 将 label.cfg 文件放置于 .amsdata 文件所在目录后，VU-DAMS 程序将自动加载该文件。创建标签后，会弹出一个窗口，列出 label.cfg 文件中定义的类别/值。为第一个标签选择“平躺”，为第二个标签选择“坐起”。
- 完成标注后，选择“阻抗评分”选项卡，以对阻抗心动图中的 PEP 进行评分。对于每个条件，系统将显示一个与 ECG R 波峰时间对齐的集合平均 dZ/dt 波形。dZ/dt 波形下方显示集合平均 ECG。将四个垂直光标放置在正确位置：ECG Q 波起始点（电活动开始）、ICG B 点（射血相起始点）、ICG dZ/dt-min（最大射血速度点）和 ICG X 点（主动脉瓣关闭点——射血相结束）。
- 接下来，选择“呼吸评分”选项卡，利用呼吸信号和 ECG 信号对峰谷 RSA 进行评分。此时可查看呼吸周期的自动逐次呼吸评分结果，包括吸气期间最短的心动周期间期和呼气期间最长的心动周期间期。通常，自动检测算法将异常呼吸分类的比例不应超过 15%；否则应检查呼吸信号，并根据需要调整检测算法参数。
有关 ECG、ICG 和呼吸信号的目视检查指南，以及交互式 PEP 和 RSA 评分方法，详见 VU-AMS 官方网站：www.vu-ams.nl。
- 最后，选择标签信息选项卡。计算完成后将显示一个结果表格。每一行代表每个标注时间段内一系列生理参数（心率、PEP、RSA、RR）的平均值。第一列为受试者标识符（Label_ID）。最后一列显示标注过程中使用的所有类别的取值（此处仅有一个类别“实验条件”，包含“坐起”和“平躺”两个取值）。心搏间期时间序列的谱功率仅针对持续时间不少于4分钟的标签提供（否则显示为缺失代码）。该表格可导出为ASCII或EXCEL格式，以便进行进一步的统计分析。
结果
在荷兰一项前瞻性纵向出生队列研究——阿姆斯特丹出生儿童及其发育研究中，测量方案始于3,097名儿童6。研究已获得阿姆斯特丹大学医学中心医学伦理委员会、VU大学医学中心医学伦理委员会以及阿姆斯特丹登记委员会的批准。所有参与研究的母亲均为自己及其子女签署了书面知情同意书。
由于监测设备轻便且无干扰性，儿童对这些测量的耐受性非常好。我们没有关于拒绝率的数据，但经验表明，只有少数儿童抗拒电极的放置，从而阻碍了进一步的评估。在3,097次记录中，有0.7%因设备故障或文件错放而丢失。在剩余的3,074次记录中，98.7%来自完成整个实验流程的儿童（n = 3,056）。在每个标注的时间段内（我们最初标注了四个时间段，但后来合并为两个），我们遇到了不清晰的ICG信号，导致无法确定PEP。这导致在最初标注的四个时间段中，第一个时间段有1.5%的数据丢失，第二个为2.4%，第三个为2.8%，第四个为4.1%。在2,797例（91.5%，即因ICG信号不清晰导致8.5%丢失）中，所有时间段的PEP完整数据均可获得。来自2,761名儿童的完整数据包括心率（HR）、射血前间期（PEP）、呼吸性窦性心律失常（RSA）以及性别和年龄；在此最终步骤中，因未知原因导致1.3%的数据丢失。总体而言，89.2%的起始记录获得了完整的受试者数据。儿童的平均年龄为5.7岁（标准差0.5；四分位距5.0:6.5），其BMI为15.5 kg/m2（标准差1.5；四分位距13.9:17.2）。
主要结局变量心率（HR）、预射血期（PEP）和呼吸性窦性心律不齐（RSA）的平均值分别列于表1，并在图3中以图形形式展示，男女数据分别呈现。在所有体位下，女性的HR（仰卧和坐姿）均高于男性；PEP（仅坐姿）在女性中也高于男性（两种体位下均如此）。女性的RSA低于男性（两种体位下均如此）。女性HR值较高可能源于迷走神经（副交感）心脏调控能力较低；而其交感神经心脏调控能力与男性相比并无差异，甚至更低（坐姿时）。
在两种性别中，坐姿时的心率（HR）均高于平躺时，而呼吸性窦性心律不齐（RSA）在坐姿时则较低。这反映了坐姿时迷走神经控制作用的减弱。射血前期（PEP）在平躺时比坐姿时更短。这一效应同样符合预期，反映了相反过程的共同作用结果：平躺时交感神经活动降低（使PEP延长），但前负荷增加（使PEP缩短）7。
| 男孩 | 女孩 | ||||||||||
| 仰卧位 | 坐位 | 仰卧位 | 坐位 | ||||||||
| 均值 | 标准差 | 均值 | 标准差 | 均值 | 标准差 | 均值 | 标准差 | ||||
| 心率 (bpm) | 83.9 | 9.5 | * | 89.1 | 10 | *† | 86.9 | 10.1 | 92.4 | 10.4 | † |
| 射血前期 (msec) | 76.9 | 11.8 | 78.5 | 12.2 | *† | 77.7 | 10.3 | 81 | 11.7 | † | |
| 呼吸性窦性心律不齐 (msec) | 127.0 | 60.4 | * | 115.7 | 55.8 | *† | 121.7 | 56.8 | 108.7 | 51.9 | † |
表1. 不同体位及体位差下男孩和女孩的心脏自主神经系统指标测量值。 性别差异的单样本T检验结果：p < 0.05；† 配对样本T检验结果：p < 0.05。
图1. 七个电极应放置于受试者的胸部和背部。 第一个ECG电极（V-）置于胸骨右侧4 cm、略低于右侧锁骨的位置。第二个ECG电极（V+）置于心脏心尖处，位于左侧胸部第九肋骨水平的胸外侧边缘，大致与剑突等高。第三个ECG电极（GND）为接地电极，置于右侧腹部、右侧下方两根肋骨之间的区域。第一个ICG测量电极（V1）置于胸骨上端、两侧锁骨尖端之间。第二个ICG测量电极置于胸骨剑突联合处，即肋骨汇合的位置。两个电流电极置于背部：I- 置于颈椎C4水平的脊柱上，且至少高于ICG测量电极V- 3 cm（1英寸）；I+ 置于脊柱上胸椎T8与T9之间，且至少低于ICG测量电极V2 3 cm（1英寸）。ICG电极的放置考虑了左心室搏动引起胸腔阻抗变化的最大部分，由胸骨上窝至剑突之间的柱状区域所捕获。
图 2. 连接 VU-AMS5fs 设备后，DAMS 软件显示的典型记录设置。 点击此处查看高清大图。
图3. 不同体位下男孩与女孩的心脏自主神经系统指标。 * 表示性别差异的单样本T检验 p < 0.05；# 表示体位差异的配对样本T检验 p < 0.05。
讨论
我们使用便携式记录设备对3097名5至7岁儿童的心脏自主神经调控进行了测量。通过七个电极即可记录心电图（ECG）和阻抗心电图（ICG），并从中提取心率、心率变异性及收缩时间间期。呼吸频率频段的心率变异性（RSA）是评估心脏副交感神经活动的有效指标。收缩时间间期中的预射血期（PEP）可反映心肌收缩力，是评估心脏交感神经活动的有效指标。所获得的HR、PEP和RSA平均值，体位变化的影响，以及男女儿童之间的差异，均与文献报道的预期结果一致。
由于动态监测消除了在实验室进行评估的必要性，我们的记录可以在不同地点进行（例如 学校、体育中心、科学博物馆）中进行，且信号记录质量无差异。然而，对于受试者内部或之间的比较，必须对姿势和体力负荷进行标准化，因为后负荷和前负荷效应可能在无心脏交感神经驱动变化的情况下共同决定PEP。 7我们得出结论：在大样本儿童中进行心电图（ECG）和阻抗心电图（ICG）的动态记录具有高度可行性，并提出当前的标准化研究设计可作为未来评估儿童心脏自主神经调控的实用模板。
披露
我们无任何披露事项。
致谢
AEvD 获得了荷兰心脏基金会（DHF-2007B103）的支持。作者谨向阿姆斯特丹出生儿童及其发展（ABCD）研究中的所有母亲和儿童，以及荷兰阿姆斯特丹VU大学心理生理学系仪器部VU-AMS系统全体开发与维护团队表示感谢。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| VU-AMS5fs 便携式记录设备 &和红外接口电缆 | 阿姆斯特丹自由大学 | n/a | http://www.vu-ams.nl |
| 电极 | ConMed | 1690-003 | |
| AA电池 | |||
| CompactFlash 存储卡 | |||
| 带有闪存卡读卡器的笔记本电脑/台式电脑 | |||
| VU-DAMS 软件套件 | 阿姆斯特丹自由大学 | 免费下载， http://www.vu-ams.nl | |
| 秒表 | |||
| 音乐播放器 &和耳机 | 可选 | ||
| 自充气空气床垫 | 可选 |
参考文献
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