典型发育儿童与青少年短时线性及非线性心率变异性特征研究

《Physiological Reports》：Characterizing short-term linear and nonlinear heart rate variability in typically developing children and adolescents

　　

摘要：线性心率变异性（HRV）量化了由随机过程引起的心率（HR）波动，而非线性HRV则捕捉心率结构的复杂性。尽管儿童期和青春期线性HRV已有研究，但关于非线性HRV知之甚少。本研究对典型发育儿童（7–12岁，n=35）和青少年（13–17岁，n=29）的短时线性和非线性HRV进行了特征描述。研究人员在静息状态下使用三导联心电图记录5分钟HRV，并采用线性（时域和频域）及非线性（庞加莱分析、近似熵[ApEn]和样本熵[SampEn]、去趋势波动分析[DFA]）指标进行分析。青少年组观察到更大的平均RR间期（p=0.007）。儿童与青少年之间时域HRV无差异，但观察到性别差异，女性线性HRV较低（p<0.05，θ?>62），即正常窦性心搏间期标准差（SDNN）和相邻正常心搏间期差值平方根（RMSSD）。青少年男性ApEn较低（p<0.001，θ?=86）。青少年短程标度DFA亦较低（p=0.023，θ?=64）。庞加莱分析显示男性具有更高的非线性短程（p<0.003，θ?=68）和长程变异性（p<0.001，θ?=83）。非线性指标与副交感神经张力线性指标相关。总体而言，儿童和青少年的非线性HRV存在年龄和性别差异。未来研究需阐明发育过程中非线性HRV的潜在机制及其在儿童疾病中的改变。

典型发育儿童与青少年短时线性和非线性心率变异性特征研究解读

一、研究背景与目的

心率变异性（HRV）是评估心脏自主神经功能的重要生物标志物，反映了心电图中相邻R-R间期的波动。线性HRV基于随机过程框架分析心率信号，包括时域指标如正常窦性心搏间期标准差（SDNN）和相邻正常心搏间期差值平方根（RMSSD），以及频域指标如低频（LF）、高频（HF）功率等。然而，心率信号本质上具有非平稳性，受多种生理系统和环境刺激的持续影响，线性分析方法无法充分捕捉其复杂性。非线性HRV指标，包括近似熵（ApEn）、样本熵（SampEn）、去趋势波动分析（DFA）和庞加莱分析，能够量化心率时间序列的复杂性、规律性和分形组织特征。

既往研究表明，健康衰老与副交感功能下降和交感驱动增加相关，这一过程最早可从成年早期开始。在儿科人群中，虽然线性HRV的年龄依赖性已有较多文献记载，但关于非线性HRV在儿童和青少年发育过程中的变化方向与幅度，不同研究结果存在分歧。例如，Cysarz等人观察到7–9岁儿童ApEn达到峰值，随后下降并在14岁以上青少年中达到最低点；而Pikkujamsa等人则记录了从婴儿期至约80岁的ApEn持续下降趋势。此外，青春期是心血管和自主神经成熟的关键时期，循环性激素的动态变化在男性和女性之间存在差异，可能影响心脏自主神经调节的发育轨迹。然而，典型发育男性和女性儿童及青少年之间线性和非线性HRV是否以不同方式发展仍不明确。

基于上述背景，本研究旨在横断面表征一组健康典型发育儿童（7–12岁）和青少年（13–17岁）的短时线性和非线性HRV特征，并探索年龄和性别对HRV发育轨迹的潜在影响。

二、研究设计与方法

本研究数据来自特拉华大学同一研究实验室的两项独立研究方案，经机构审查委员会批准。共纳入64名典型发育、非肥胖的儿童和青少年，其中儿童组35人（7–12岁，男性23人，女性12人），青少年组29人（13–17岁，男性18人，女性11人）。参与者均无慢性疾病史、睡眠障碍、近期SARS-Cov-2感染或疫苗接种史，且在测试前禁食超过6小时，24小时内避免咖啡因摄入和剧烈运动。

HRV评估采用三导联心电图（ECG）在安静仰卧位休息超过10分钟后连续记录5分钟。使用Biopac MP160系统以1000Hz采样率采集信号，并通过Kubios HRV Scientific软件离线去除异位搏动和伪影。线性时域指标包括SDNN和RMSSD；频域指标通过快速傅里叶变换（FFT）计算极低频（VLF: 0.0033–0.4Hz）、低频（LF: 0.04–0.15Hz）和高频（HF: 0.15–0.5Hz）振荡的绝对和相对功率，以及LF/HF比值。非线性指标包括：ApEn和SampEn（嵌入维度m=2，容差半径r=0.2×SDNN），DFA短程标度指数α₁（窗口4–12拍）和中间程标度指数α₂（窗口13–64拍），以及庞加莱分析中的SD1（短程变异性）和SD2（长程变异性）。此外，收集了青春期发育状态（Tanner分期）、BMI和血压作为协变量。统计分析采用双因素（年龄×性别）方差分析（ANOVA），并进行非参数Mann–Whitney U检验和Bonferroni-Holm多重比较校正。

三、研究结果

3.1 参与者特征

青少年组在年龄、身高、体重、非标准化BMI和收缩压（SBP）方面均显著高于儿童组。然而，当BMI、SBP和舒张压（DBP）以百分位数表示时，未观察到交互效应或主效应。青少年组Tanner分期显著高于儿童组。

3.2 线性HRV

青少年组平均RR间期显著高于儿童组（儿童813±114ms vs. 青少年896±125ms，p=0.007），表明青少年静息心率较低。然而，时域指标SDNN和RMSSD未显示年龄主效应。性别主效应显著，女性SDNN（55±27ms vs. 男性70±30ms，p=0.040）和RMSSD（61±30ms vs. 男性83±38ms，p=0.019）均低于男性。频域指标未观察到显著的年龄或性别差异。

3.3 非线性HRV：近似熵和样本熵

ApEn存在显著的年龄×性别交互效应（p=0.010）。事后分析显示，青少年男性ApEn显著低于儿童男性（1.18±0.07 vs. 1.07±0.08，p<0.001），表明青少年男性心率时间序列规律性增加、复杂性降低。SampEn未观察到显著的交互效应或年龄、性别主效应。

3.4 非线性HRV：去趋势波动分析

DFAα₁（短程标度指数）未显示显著的交互效应或年龄、性别主效应。DFAα₂（中间程标度指数）存在显著的年龄主效应（p=0.022），青少年组显著低于儿童组（0.30±0.12 vs. 0.24±0.09，p=0.048），表明青少年心率时间序列的长期相关性减弱，更接近随机性（α接近0.5）。

3.5 庞加莱分析

SD1（短程变异性）存在显著的性别主效应（p=0.021），男性显著高于女性（59±27ms vs. 43±21ms，p=0.019）。SD2（长程变异性）存在显著的年龄×性别交互效应（p=0.046），青少年女性显著低于儿童女性（45±12ms vs. 81±35ms，p=0.011）。SD1/SD2比值未观察到显著差异。

3.6 线性和非线性HRV之间的相关性

ApEn与平均RR间期（ρ=?0.55）和LF/HF比值（ρ=?0.34）呈负相关。SampEn与RMSSD（ρ=0.21）和相对HF功率（ρ=0.29）呈正相关，与LF/HF比值呈负相关（ρ=?0.39）。DFAα₁与RMSSD（ρ=?0.36）和相对HF功率（ρ=?0.83）呈负相关，与LF/HF比值呈正相关（ρ=0.74）。DFAα₂与平均RR间期（ρ=?0.49）、SDNN（ρ=?0.38）、RMSSD（ρ=?0.47）、绝对和相对HF功率及总功率呈负相关。SD1与平均RR间期（ρ=0.58）、SDNN（ρ=0.94）、RMSSD（ρ=0.98）、绝对HF功率（ρ=0.92）和总功率（ρ=0.85）呈强正相关。SD2同样与这些指标呈强正相关。

四、讨论与结论

本研究发现青少年组平均RR间期显著高于儿童组，但这一差异并未对应其他线性HRV指标的组间差异，提示青少年静息心率降低可能主要归因于心脏大小和每搏输出量的发育性增加，而非单纯的神经心脏功能变化。性别差异方面，男性线性HRV显著高于女性，这一发现与部分既往研究一致，但不同于成年期女性通常具有更高副交感调节能力的模式。研究者推测这可能与本研究青少年女性年龄较轻（14±2岁）有关，性别差异可能在20岁后更为显著。

非线性HRV方面，青少年组ApEn降低表明心率时间序列规律性增加、复杂性降低，这一变化在男性中尤为明显。DFA结果显示青少年组中间程标度指数更接近0.5，表明时间相关性减弱、随机性增加。研究者指出，ApEn和DFA表征心率动力学的不同属性，规律性增加与时间相关性减弱可以共存。关于复杂性降低的生理意义，研究者援引了Lipsitz和Goldberger提出的生理系统复杂性丧失理论，但同时指出该理论主要针对衰老和疾病，其在儿科发育人群中的适用性尚不确定。

值得注意的是，本研究中多数非线性指标与副交感张力线性指标存在显著相关，表明线性和非线性HRV指标在发育过程中可能捕捉心率动力学的相关方面。研究者推测迷走神经系统的成熟可能在调节儿童和青少年的线性和非线性心率动力学中发挥作用，但强调横断面设计无法确立因果关系。

研究的主要局限性包括：横断面设计无法推断因果关系；样本量适中（N=64）限制亚组统计效力；呼吸频率未严格控制，可能通过呼吸性窦性心律不齐影响HRV指标；未使用24小时Holter监测这一金标准方法；约15%的评估在下午进行，昼夜节律可能对结果产生一定影响。

综上所述，本研究在典型发育儿童和青少年中观察到非线性HRV的年龄和性别差异，包括青少年男性ApEn降低、青少年DFAα₂降低以及男性更高的庞加莱变异性。这些发现提示青春期自主神经成熟可能以性别依赖性方式影响心率动力学的复杂性特征，为理解儿童和青少年心脏自主神经发育提供了新的视角。未来需要纵向和机制性研究来阐明发育过程中非线性HRV变化的潜在机制，以及这些过程在儿童疾病中如何发生改变。