青少年运动员脑震荡后的自主神经功能：基于24小时记录法的心率变异性研究

摘要

我们展示了一种24小时心率记录方法，用于在生态学上有效的背景下评估脑震荡对青少年运动员恢复过程的影响。

摘要

参与有组织的体育运动对青少年的成长发展具有重要意义，但同时也使青少年面临更高的脑震荡风险。迄今为止，重返活动的决策主要依赖于对自我报告的脑震荡症状的监测以及神经认知测试。然而，将客观生理指标与传统的主观症状报告相结合的多模态评估方法亟需建立，并具有重要价值。心率变异性（HRV）是一种无创的自主神经系统生理指标，能够反映交感神经与副交感神经系统之间的相互作用。目前关于脑震荡对青少年运动员HRV影响的研究十分有限，且由于发育差异，成人研究结果无法直接应用于儿童和青少年群体。此外，当前HRV研究方法主要集中于短期（5–15分钟）记录，通常采用静息状态或短时间体力活动测试来揭示脑震荡后的变化。采用24小时 记录方法的新颖之处在于，其能够捕捉与青少年运动员日常活动直接相关的自主神经功能自然变化。在前瞻性、纵向研究背景下，这种量化自主神经功能的新方法可为恢复过程提供重要信息，并与传统的自我报告症状指标相互补充。本研究采用24小时记录方法的目标是：（1）评估脑震荡对青少年运动员产生的生理影响；（2）描述生理变化的动态轨迹，同时结合自我报告的脑震荡后症状的消退情况。为实现上述目标，本研究采用了无创传感器技术。所采集的原始逐搏时间间隔数据可转换为时域和频域指标，反映个体适应和应对不断变化环境的能力。通过使用无创心率监测技术，自主神经功能的量化可在传统受控研究环境之外实现。

引言

据估计，全球每年有四百万儿童因脑震荡前往急诊科就诊^1,2,3。加拿大政府报告指出，10至18岁青少年在急诊科就诊的病例中，有64%与参与体育活动和娱乐运动有关⁴。此外，上述急诊就诊病例中有39%为运动相关的头部损伤，尤其是脑震荡。脑震荡是一种由生物力学力量引起的创伤性脑损伤，可因头部直接受击或身体其他部位受力传导至头部而引发。脑震荡会导致神经系统功能障碍，但此类障碍通常可自行恢复³。需要特别强调的是，脑震荡属于功能性损伤而非结构性损伤，因此常规的结构性影像学检查结果大多无明显异常³。脑震荡可引发一系列症状，包括躯体症状（例如头痛、头晕、视力模糊、对噪音和光线敏感、肌力下降及运动能力减退）、认知症状（例如注意力难以集中、记忆力减退、思维迟缓及整体精神不清晰）、情绪症状（例如悲伤、易怒和焦虑）以及疲劳相关症状（例如睡眠过多或过少、嗜睡）⁵。

脑震荡症状学的一个主要因素被认为是自主神经系统（ANS）功能障碍⁶。ANS由两个分支组成：副交感神经和交感神经系统。这两个分支以各自特有的方式相互拮抗，以应对环境需求⁷。副交感神经系统对周围血管的影响较小，但在能量恢复期间活跃，使内脏器官放松（即降低心率、促进胃肠道蠕动）。相反，当面临应激源时，交感神经系统被激活，引发"战斗或逃跑"反应⁸。为了评估脑震荡后ANS的活动情况，已采用无创的心率采集技术来量化心率变异性（HRV）^8,9,10。交感神经和副交感神经系统作用于心脏的窦房结（天然电起搏点），以响应内外部应激源/刺激，产生连续心跳之间（RR间期）的时间变化。随后利用一段时间内心跳间期数值计算时域和频域指标。时域变量反映心率的整体变异性，而频域变量则反映心率的周期性振荡，并提供有关ANS特定分支的信息^8,11,12。

基线/伤前评估范式通常用于量化青少年发生脑震荡后的变化。在此范式中，标准做法是在损伤发生前获取青少年脑震荡症状的自我报告，以及神经心理学评估等其他标准化测量指标³。在确诊脑震荡后，将伤前评分与伤后评分进行比较，以评估恢复情况，并指导重返活动的决策。然而，随着近年来研究重点转向探索脑震荡恢复的客观指标，主观症状报告的价值和重要性正受到质疑。青少年运动员可能未能充分理解报告脑震荡症状的后果，为避免长时间无法参与运动而可能少报症状^13,14。此外，脑震荡症状缺乏特异性，也可见于其他多种临床状况，如心理健康诊断^15,16。在青少年运动员脑震荡背景下，心率变异性（HRV）的应用可验证传统临床指标（主观脑震荡症状）的可靠性，并提供关于脑震荡后恢复轨迹的新型生理信息（客观HRV）。

根据最新的国际运动相关脑震荡共识声明，单次脑震荡 "生理时间窗" 由于在评估生理指标和研究设计上存在方法学差异，目前尚无针对脑震荡恢复的统一方案³多项研究表明，生理功能障碍持续的时间超过了临床恢复指标的评估范围。^9,17,18，但这一点尚未得到确证，尤其是在青少年运动员群体中。欧洲心脏病学会与北美起搏和电生理学学会工作组¹² 为临床和科研环境中心率变异性（HRV）的测量与分析提供指导。在迄今为止有限的脑震荡研究文献中，绝大多数此类新型生理学研究均针对成年及大学年龄运动员，在短期记录背景下开展。^9,18,19然而，关于在长期记录方法（24小时）中将心率变异性（HRV）作为恢复状态的客观指标进行探索，尤其是在青少年运动员中的应用，尚未得到研究。这一空白尤为突出，因为青少年处于持续发育阶段，使得成人研究结果无法直接外推至青少年群体。这与任务组¹² 基于现有文献中的建议以及青少年脑震荡研究中的当前局限性，有必要在青少年脑震荡研究中探索24小时记录方法。长期记录可使自主神经系统（ANS）反应在真实世界情境下得到评估，例如日常正常活动、损伤事件以及治疗干预的影响，这对于预测预后具有重要意义²⁰短期记录可能无法准确反映青少年日常活动中自然且预期应激源所引起的自主神经调节的动态波动。即， 学校和体育活动²¹此外，短时程记录存在无法测量RR间期波动的局限性，尤其是心率变异性（HRV）会动态响应生理扰动。在许多采用24小时记录方法的研究中，已使用时域指标（如RR间期的标准差SDNN），因为这些指标依赖较长时间的记录才能准确反映其数值的可靠性。¹²鉴于这种评估青少年脑震荡的方法具有探索性，且总体目标是捕捉该儿科人群所特有的日常活动能力的动态变化，因此采用一种能够反映其日常活动能力波动的记录方法是合适的。

本方案旨在探讨一种非受控的、针对13至18岁青少年运动员的24小时记录方法，这些运动员参与日常正常活动。尽管这种24小时记录方法会引入心率变异性（HRV）信号的变异性，但在存在这种变异性的情况下仍能检测到趋势，可能表明该信号具有潜在的显著性，并且在评估该人群对脑震荡损伤的生理反应时，可能具有更高的生态效度^20,22。

方案

本方案中的所有步骤均经霍兰布罗维尤儿童康复医院研究伦理委员会批准。所有参与者在参与本研究方案/数据收集之前均已签署知情同意书。

1. 获取参与者的伤前人口统计学和症状特征

1. 确保所有材料均已准备就绪并可正常用于数据采集（胸带、传感器和手表；参见材料表），同时准备好相关的人口统计信息采集表、脑震荡症状量表和身体活动问卷。在受试者到达之前，提醒其穿着舒适的衣服，包括一件轻便的T恤。
2. 在获得家长和受试者的知情同意后，要求受试者填写人口统计信息采集表，内容包括年龄、性别、是否诊断有学习障碍、其他医学诊断以及既往脑震荡史（受伤次数及最近一次受伤的时间）。
3. 指导受试者完成Godin闲暇时间运动问卷（GLTE）²³。
4. 指导受试者完成脑震荡后症状量表（PCSI）²⁴。
   注意：PCSI有多个版本，对应不同的发育年龄阶段（即 5至12岁；13至18岁）。
5. 测量并记录受试者的身高和体重。
6. 对GLTE和PCSI进行评分并记录结果。在对PCSI评分时，需同时记录总分及四个维度的子分数（即 躯体症状、认知症状、情绪症状、疲劳）。
7. 将所有人口统计学信息、身体活动情况和症状量表数据录入数据库。

2. 获取参与者的伤前生理基线数据

注意：由于青少年运动员的学校和体育日程较为繁忙，要明确区分工作日与周末或在特定时间点进行数据采集并不总是可行的。实验方案应尽一切努力确保数据采集时间的一致性，或在数据分析中考虑采集时间的影响，以应对自主神经系统功能的自然波动。此外，如果某参与者发生脑震荡，但其基线值是在脑震荡发生日期的一年之后采集的，则该基线值不应被视为适用于前后比较的准确基线值²⁵。

1. 根据参与者的躯干周长选择合适的胸带尺寸（XS/S 或 M/XXL）。
   1. 为确保胸带位置准确，将胸带环绕在参与者躯干上（注意：参与者穿着T恤），并调整至紧贴但舒适的程度。
   2. 确保胸带牢固地贴合在胸骨区域，位于剑突处。此时不要指导参与者将胸带直接贴在皮肤上。
2. 通过固定夹扣按钮将心率传感器连接到胸带上，确保传感器正面朝上。
3. 使用低致敏性电极凝胶，在胸带的导电塑料表面涂抹少量或适量凝胶。
4. 指导参与者前往私密区域或洗手间，以便将胸带直接贴在皮肤上。
   1. 向参与者说明胸带扣环的位置，以方便其正确固定胸带。
   2. 指导参与者确保传感器直接贴在胸骨剑突处，并保持正面朝上，以保证最佳的心率记录效果。
5. 将手表交给参与者，并告知其在整个24小时记录期间不得取下手表。
6. 向参与者提供一份故障排除说明表（以防手表意外停止记录）。该说明表应明确列出如何重新启动手表记录、如何重新涂抹电极凝胶并佩戴心率监测器、如何调整胸带以及确保传感器正面朝上。鉴于记录时间较长，且不同参与者之间的记录时长可能存在不一致，应采用严格的数据分析方法来过滤并校正此类差异；有关这些方法的更多细节，请参见 Paniccia et al.²⁶。
   1. 在该说明表中留出空间，供参与者记录入睡和醒来的时间。同时鼓励参与者报告佩戴心率监测设备期间进行的其他身体活动（例如，长时间步行）。
7. 提醒参与者，在佩戴心率监测设备期间禁止参加接触性运动、游泳和泡澡。但允许参与者佩戴设备淋浴。
   1. 鼓励参与者在佩戴设备期间照常进行日常活动。

3. 进行脑震荡后随访评估

1. 在参与者或其法定监护人/照护者报告脑震荡损伤的当天（或尽可能尽快）安排随访评估。指导参与者就医并获得医生的脑震荡诊断（如尚未完成）。
2. 确保所有材料已准备就绪并可正常用于数据采集；包括心率记录设备（胸带、传感器和手表）以及相关的人口学信息采集表、症状量表和体力活动问卷。在参与者到达前，提醒其穿着舒适衣物，包括轻便的T恤。
3. 完成《急性脑震荡评估表》⁵，以收集损伤机制及伤后后遗症信息（e.g., 意识丧失、逆行性遗忘）。
4. 实施GLTE以评估体力活动能力的变化。
5. 实施PCSI以确定症状的数量和严重程度。
6. 采集HRV数据，并重复步骤2.1至2.7。
7. 在参与者仍有症状期间，安排每周随访评估，并重复实施PCSI及采集HRV数据（步骤3.3以及步骤2.1至2.7）。
8. 当参与者的症状缓解（恢复至基线水平）后，安排1个月、3个月和6个月的随访评估。在这些时间点，重复实施GLTE、PCSI并采集HRV数据（步骤3.4和3.5，以及步骤2.1至2.7）。

4. 在随访评估时间点收集匹配的对照参与者数据

1. 利用基线/受伤前的数据集，生成一份潜在对照参与者名单，其年龄和性别需与脑震荡参与者相匹配。确保潜在对照参与者的出生日期与脑震荡参与者的出生日期相差不超过6个月。
2. 联系对照参与者并安排随访评估，随访时间与脑震荡参与者的随访日期相差不得超过3-4天。
3. 对匹配的对照参与者重复上述测试流程（即，相同的随访评估次数）。
   1. 在首次随访评估时，重复步骤1.1至1.7以及步骤2.1至2.7。
   2. 在后续的随访评估中，重复步骤3.1至3.7（不包括步骤3.3）。

5. 上传和处理HRV数据

1. 使用提供的 USB 传输线将手表连接至计算机，并将心率数据上传至传感器配套的软件程序。随后，传输该特定的 (.hrm) 文件，并将数据导入数据分析软件（参见材料表）。
2. 为滤除异位搏动并校正伪迹，选择"极低"滤波模式；这是保持原始数据完整性的最低校正级别。对于小样本数据集及个体内部分析，强烈建议进行数据文件的目视检查。
3. 根据欧洲心脏病学会与北美起搏和电生理学会工作组的建议¹²，确保频域变量的带宽设置如下：高频段 HF（0.15 至 0.4 Hz）；低频段 LF（0.04 至 0.15 Hz）。
   1. 选择 300 秒的时间窗，重叠率为 50%。
   2. 选择 4 Hz 的插值频率。
   3. 选择快速傅里叶变换（FFT）进行功率谱分析。
4. 将 HRV 数据保存为 hrm 文件，以便在功能强大的统计软件中进行进一步数据分析。

结果

RS800CX 技术设置

采用此处所述方法时，需特别强调胸带的放置位置和固定程度至关重要，以防止胸带在24小时记录期间滑落或过度移动，从而确保采集到准确的记录数据。图1展示了心率监测设备的最佳佩戴位置，可见胸带和传感器已牢固固定，并居中贴于青少年胸骨（剑突）处。

图1：心率技术示意图，显示胸带、传感器和手表的最佳佩戴位置。 请点击此处查看此图的放大版本。

心率变异性输出数据

图2 显示了一名脑震荡受试者24小时心率记录的Kubios输出结果。原始RR间期序列图像使研究人员能够直观观察随时间变化的趋势，突出显示心率升高的关键时间点（例如， 体力活动）或减少（例如， 静息、睡眠等状态对数据解读具有重要意义。时域和频域变量分别反映生理信号的整体变异性及自主神经系统的分支功能。 表1 概述了时域和频域心率变异性（HRV）变量的测量单位及其生理学意义。

图2：显示原始RR间期序列、时域变量和频域变量的24小时数据输出示例。 请点击此处查看此图的放大版本。

变量（单位）	定义	生理学意义
时域
SDNN (ms)	心跳间期的标准差	自主神经系统功能的总体指标
RMSSD (ms)	连续差值的均方根；通过将心跳间期的差值平方后计算得出	自主神经系统功能的总体指标
pNN50 (%)	相邻心跳间期差异超过 50 ms 的比例	反映副交感神经活动的指标
NN50	计数变量；	反映副交感神经活动的指标
	相邻 NN 间期差值超过 50 ms 的对数
STD HR (s)	瞬时心率值的标准差	自主神经系统功能的总体指标
几何法
RR 三角指数	所有 NN 间期总数除以所有 NN 间期直方图的高度	自主神经系统功能的总体指标
	在离散尺度上测量（即所有 NN 间期总数除以密度分布的最大值）
TINN (ms)	通过拟合 NN 间期分布的三角形底边宽度测量的基础宽度	自主神经系统功能的总体指标
频域
HF (ms2)	高频范围（0.15–0.4 Hz）内的功率（幅值）	基于节律性呼吸周期评估心脏副交感神经活动的指标
HFnu (%)	以标准化单位表示的 HF 功率，即占总功率的比例；[HF/(HF+LF)] × 100	副交感神经活动所占比例
LF (ms2)*	低频范围（0.04–0.15 Hz）内的功率（幅值）	交感神经和/或副交感神经活动的测量指标
LFnu (%)*	以标准化单位表示的 LF 功率，即占总功率的比例；[LF/(HF+LF)] × 100	交感神经和/或副交感神经活动的测量指标
LF/HF (ms2)*	低频功率与高频功率的比值	交感神经和/或副交感神经活动的测量指标
Total power (ms2)	所有 RR 间期的方差	自主神经系统内变异性总体幅度；反映自主神经系统灵活性与适应能力

表1：时域与频域心率变异性指标的描述。

注意：“*”表示对低频成分（LF）相关变量的解释需谨慎，因为该指标的临床有效性和科学性尚存争议。有研究提出，低频成分并不能代表交感神经自主调节²⁷，且与交感神经活动之间的关联性较差²⁸。因此，阐明该指标的生理学基础具有挑战性。

主观与客观结果的可视化

鉴于24小时记录方法的新颖性，对恢复过程中各阶段结果的可视化呈现对于解读“临床恢复”与潜在的“生理恢复”之间的对应关系至关重要。需要注意的是，应由同一名研究人员负责解读可视化趋势，以确保结果的可靠性。在本项特定方案中，由一位精通神经生理学的主要作者对所有总体趋势进行了解读。随后，这些趋势的解读结果在包括儿童脑震荡、理论生理学和运动生理学领域专家在内的多学科团队中进行了评审。因此，采用科学且充分知情的方式进行可视化分析，对于初步推断恢复轨迹具有关键意义。图3展示了pNN50与PCSI总分在伤后各天数之间的关系，并按性别进行分层。在纵向研究设计中，采集重复测量数据可提供丰富的HRV数据。图3展示了青少年男性与女性恢复轨迹比较的一个示例。在此，男性（A）和女性（B）的恢复轨迹表现出相似的模式：即最初均呈下降趋势，直至第30天，随后分别在男性中持续上升至第75天、在女性中上升至第90天，之后进入平台期。

图 3：按性别分层的伤后各日恢复轨迹可视化。请注意，图例框中的“Total”表示总的 PCSI 评分。请点击此处查看该图的高清版本。

讨论

临床研究指出，对运动员的评估不应仅仅基于脑震荡症状的罗列¹⁷。因此，心率变异性（HRV）等客观生理指标有助于区分主观症状报告中涉及的多种影响因素，并阐明可能与临床恢复轨迹不同的生理恢复过程。本方案是探索24小时记录方法在青少年脑震荡研究环境中作用的第一步，同时考虑了伤前显著的HRV差异，并对青少年运动员（包括脑震荡患者和对照组）在多个时间点进行了随访。

脑震荡的评估传统上依赖于对患者自述症状的评价及其恢复情况。然而，这种传统模式存在一些障碍，限制了科研和临床领域采用更客观的方法来评估康复状况。例如，如果青少年在脑震荡后的评估过程中出现症状而无法完成随访测试，评估通常会被终止，从而无法判断其表现相较于基线水平受到了何种影响²⁹。此外，青少年的症状评分并不一定反映其进行日常活动的能力；某些青少年可能报告脑震荡后症状有所减轻，但在恢复全天学习^29,30,31或过早尝试重返体育运动或体力活动时，仍可能出现症状加重（例如思维模糊、注意力难以集中、疲劳、头痛）^32,33。可能更客观的测量方法能够捕捉到与持续恢复相关的敏感变化，即使临床症状已看似恢复。综上所述，探索一种无创且客观的评估手段，有助于发现并应用更安全、更敏感的指标，以评估青少年运动员脑震荡后的恢复情况。

本方案提出了一种利用新型客观恢复指标的价值即， 长期记录心率变异性（HRV）。然而，自主神经系统的功能也可能受到个体心理健康状况及其在应激情境下自我调节能力的影响^34,35本研究未涵盖的一种可能性是，脑震荡后心率变异性（HRV）的变化可能源于青少年因被限制参与有意义的活动而引发的继发性心理健康问题。³⁰ 并且在脑震荡后恢复较慢。事实上，先前的研究已揭示了年轻人心率变异性（HRV）降低与其非临床及临床形式的抑郁和焦虑之间的关联。^15,16因此，未来的研究应进一步完善现有方案，纳入对伤前基线心理健康状况的评估，并考察这种状况在脑震荡后可能发生的改变或无明显变化的情况。

Kamins 等³⁶ 进行了一项系统性综述，指出脑震荡后生理恢复的范围包括身体活动、平衡能力、认知功能以及眼球运动功能障碍。尽管这种24小时记录方法被认为是一种生态学上有效的评估自主神经功能变化的方法³⁷，但身体活动的频率和强度可能限制对心率变异性（HRV）变化的解释程度。不同年龄组的身体活动水平可能存在差异，这可能导致HRV变量中出现较大的变异性。本方案未提供对身体活动进行客观捕捉和量化的方法；因此，部分青少年运动员可能处于竞赛期、训练期，甚至休赛期。已有研究证明身体活动与HRV之间存在显著关联，较高的体能水平与更高的HRV相关^38,39,40。在一项针对14至19岁男性青少年的样本研究中，自我报告的较高身体活动水平与HRV时域和频域指标均呈正相关⁴¹。为弥补这一不足，未来的研究可采用活动记录仪（actigraphy）技术来捕捉身体活动的类型、频率和强度，同时同步采集HRV数据。同样需要考虑的是日常生活中认知负荷/活动（即 学业负担、课外活动）的作用。尽管本研究未通过认知日记形式收集相关信息，也未采用其他认知活动追踪手段，但在临床层面仍需重视这些测量指标，以实现对自主神经系统功能的全面解读。最后，尽管当前方案未纳入眼球运动功能的评估，Hunt 等⁴² 发现，对扫视、平滑追踪和集合功能的测量可能有助于检测与脑震荡相关的功能变化。临床医生和研究人员可参考Reed 等²⁹ 发表的更广泛的多模态评估方案，了解脑震荡损伤后的平衡功能和认知功能评估方法。

本方案的挑战在于，尽管其能够提供丰富的生理数据，却难以将结果直接与其他类似的脑震荡研究进行比较。大多数心率变异性（HRV）脑震荡研究采用的是静息状态下的测量方案^9,19，或根据运动负荷观察HRV的变化^43,44,45。而本文所采用的24小时记录方案是开放性的，即要求青少年在记录期间维持其日常活动。此外，尽管已指导青少年记录其睡眠和清醒时间，但主观报告无法准确反映睡眠质量。睡眠因素可显著影响个体日常活动的执行情况，并可能通过反馈回路作用于自主神经系统（ANS），调节应激反应⁴⁶。因此，为更可靠地解读该24小时记录数据，有必要采用标准化的评估方法（即 睡眠问卷和体动记录）对这些睡眠相关因素进行量化。

当前方案的最后一个考虑因素是，在进行脑震荡前后比较时，月经对心率变异性（HRV）的影响。尽管本方案未收集这一因素的数据，但考虑到已有研究表明，自主神经系统的功能在月经周期中会发生波动，而卵巢激素水平的变化可能是导致HRV改变的原因，因此月经的潜在影响仍需予以重视^47,48。然而，尚不清楚在本研究13至18岁受试者样本中，月经周期是否对症状报告或HRV变化产生了影响。除了评估月经周期所处阶段外，进一步记录发育阶段的信息，将有助于更清晰地阐明脑震荡后可能发生的生理变化。

总之，本方案确实为在研究不足的人群中评估客观生理指标的变化提供了具有临床相关性的方法。未来，探索上述因素的作用，以及日常感知压力和个人运动员特征，以阐明脑震荡对自主神经系统的影响是否超出应激生活事件所预期的影响，将具有重要意义。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Spectra 360 电极凝胶	PARKER 实验室有限公司	12-02	无盐，低致敏性
Polar RS800CX 手表	极性	RS800CX
H3 极性传感器	极性	C346W80693039
Polar Pro Strap	极性
Polar Protrainer	极性
Kubios 2.0	生物信号分析与医学成像团队	分析软件
R 核心编程	R 基金会		免费数据分析软件