冠状动脉旁路移植术各手术阶段的团队级心率变异性离散度研究

《Human Factors in Healthcare》：Team-Level Heart Rate Variability Dispersion Across Surgical Stages of Coronary Artery Bypass Grafting Procedures

　　

手术室是一个安全关键环境，有效的团队协作对患者安全至关重要。在心脏手术室中，心率变异性（heart rate variability, HRV）为评估医护人员的心理生理活动提供了一个无创窗口，可能有助于深入理解这一安全关键环境中的团队级生理反应。在本探索性研究中，研究人员利用来自时域、频域和非线性域的心率变异性指标，评估了冠状动脉旁路移植术（coronary artery bypass grafting, CABG）过程中手术团队的团队级HRV离散度。研究使用了来自15例CABG手术及手术团队的数据，为每个手术团队和手术阶段计算团队级HRV离散度值，随后采用重复测量方差分析（repeated-measures ANOVA）判断HRV离散度是否在不同阶段间存在显著差异。CABG手术分别采用原始的14阶段分割和精简的8阶段分割进行分析，其中原始分割作为主要分析框架，精简分割作为敏感性分析。时域指标（SDNN）和对数转换后的频域指标（HF）离散度在两种分割方案下均在不同CABG阶段间表现出显著差异，而非线性域指标（SampEn）离散度未显示出具有统计学意义的阶段效应。经Holm校正的事后两两比较中，SDNN离散度在各阶段之间未发现显著差异。相比之下，在两种CABG分割方案下，HF离散度在关胸阶段均显著高于若干早期阶段。上述发现表明，在CABG手术过程中，团队级SDNN和HF离散度存在与手术阶段相关的变异，并支持将HRV离散度作为手术团队研究中的一项生理学测量指标开展进一步研究。

### 论文解读：团队级心率变异性离散度在冠状动脉旁路移植术各手术阶段的变化

#### 1. 研究背景与问题提出

手术室是为患者安全至关重要的安全关键环境，有效团队协作是保障手术质量和患者预后的核心要素。团队协作并非静态不变，而是随着手术进程的推进，在不同阶段呈现出动态演变。然而，传统的团队协作评估方法（如行为评分、事后问卷等）多为静态或回顾性评估，难以捕捉团队功能随时间推移的变化过程。为弥补这一不足，生理测量作为补充性数据流被引入团队研究领域，其优势在于能够在任务执行过程中提供定量信息而不干扰操作者表现。

在个体层面，心率变异性（heart rate variability, HRV）已被广泛应用于评估注意力、压力、认知负荷等心理生理状态。近年来的研究进一步将HRV从个体层面拓展至团队层面，提出了生理同步性等团队级指标。与生理同步性关注信号随时间协同变化不同，本研究所聚焦的团队级HRV离散度并不评估信号间的时序耦合，而是反映某一手术阶段内团队成员个体分钟级HRV观测值之间的变异程度。对于功能分化明显的团队（如心脏手术团队），各成员在同一时间点承担着不同但相互依赖的任务，因此个体成员的生理反应可能各不相同。团队内HRV观测值的离散程度，可能为描述特定手术阶段团队成员生理活动差异提供有价值的信息。

冠状动脉旁路移植术（coronary artery bypass grafting, CABG）是一种常见且复杂的心脏外科手术，仅在美国每年实施约40万例。该手术由8至12名高度专业化的团队成员完成，包括心胸外科医生、麻醉医生、护士、手术技师和体外循环灌注师等。这些成员承担着既相互区别又彼此依赖的职责，整个手术过程涉及巨大的协调需求。在这种背景下，探究团队级HRV离散度在不同手术阶段之间是否存在系统性变化，是迈向理解动态手术团队过程的第一步。

#### 2. 研究内容与主要发现

本研究旨在回答以下研究问题：团队级心率变异性离散度是否在CABG手术各阶段之间存在差异？研究提出了三个探索性假设：时域指标（SDNN）离散度在不同手术阶段间存在显著差异（H1）；频域指标（HF）离散度在不同手术阶段间存在显著差异（H2）；非线性域指标（SampEn）离散度在不同手术阶段间存在显著差异（H3）。

研究人员分析了来自15例CABG手术的档案数据，每例手术中分别采集主刀外科医生、麻醉主治医生、体外循环灌注师和洗手护士四位核心角色的HRV数据。手术阶段采用两种分割方式：原始的14阶段分割和精简的8阶段分割，后者作为敏感性分析以验证结果的稳健性。团队级HRV离散度以手术阶段为单位，将四位代表角色在阶段内的分钟级HRV观测值合并后计算标准差。

研究结果显示：在原始分割和精简分割两种方案下，时域SDNN离散度和经对数转换的频域HF离散度均在不同手术阶段间表现出统计学显著差异，效应量介于中等水平（partial η2 = 0.23~0.28）；而非线性域SampEn离散度在两种分割方案下均未显示出显著的阶段效应。事后两两比较经Holm校正后，SDNN离散度未识别出具体阶段之间的显著差异；而HF离散度在原始分割下，第13阶段（胸骨闭合）显著高于第1阶段（麻醉诱导前）和第4阶段（切皮前核对），在精简分割下，第7阶段（关胸）显著高于第1阶段（准备与诱导）和第2阶段（切开）。综合两种分割方案，HF离散度在关胸阶段显著高于若干早期阶段。

#### 3. 关键技术方法概述

本研究所用数据来自一项经机构审查委员会（Institutional Review Board, IRB）批准的档案研究项目（批准号3296，批准日期2020年7月7日）。团队成员佩戴3导联可穿戴动态心电图监护仪（MindWare Mobile Impedance Cardiograph），以500 Hz采样率采集心电图波形，并采用Kubios HRV Premium软件进行HRV分析，包括平滑先验去趋势（λ = 500）和4 Hz插值率，频谱分析采用300秒窗口和50%重叠，时变分析采用300秒窗口和60秒网格间隔，SampEn的嵌入维度设为2，容差设为0.2 × SD。针对阶段内的缺失数据，研究人员采用链式方程多重插补（Multiple Imputation by Chained Equations, MICE）结合预测均值匹配（Predictive Mean Matching, PMM）方法进行填补，每种分割方案生成30个插补数据集。统计分析采用重复测量方差分析（repeated-measures ANOVA），违反球形假设时应用Greenhouse-Geisser校正，组间比较采用Holm校正的事后检验。

#### 4. 研究结果详解

**时域指标（SDNN）：原始CABG分割（调整为13阶段）**
重复测量方差分析显示，手术阶段对SDNN离散度的效应具有统计学显著性，F(3.34, 46.78) = 4.71，p = .005，partial η2 = .25，支持假设H1。Holm校正的事后两两比较未发现具体阶段之间的显著差异，表明总阶段效应未指向特定阶段对。

**频域指标（HF）：原始CABG分割（调整为13阶段）**
对数转换后的HF离散度在不同手术阶段间存在显著差异，F(3.64, 50.99) = 5.51，p = .001，partial η2 = .28，支持假设H2。Holm校正的事后比较显示，第13阶段（胸骨闭合）的HF离散度显著高于第1阶段（麻醉诱导前）和第4阶段（切皮前核对），差异具有统计学意义。

**非线性域指标（SampEn）：原始CABG分割（调整为13阶段）**
SampEn离散度在不同手术阶段间的差异未达到统计学显著水平，F(4.13, 57.85) = 0.54，p = .71，partial η2 = .04，不支持假设H3。

**时域指标（SDNN）：精简CABG分割（调整为7阶段）**
精简分割方案下，SDNN离散度的阶段效应同样显著，F(2.36, 33.00) = 5.51，p = .006，partial η2 = .28，支持假设H1。Holm校正后未发现特定阶段间的显著差异。

**频域指标（HF）：精简CABG分割（调整为7阶段）**
对数转换后的HF离散度在不同手术阶段间存在显著差异，F(2.63, 36.84) = 4.23，p = .01，partial η2 = .23，支持假设H2。事后比较显示，第7阶段（关胸）的HF离散度显著高于第1阶段（准备与诱导）和第2阶段（切开），与原始分割方案的发现一致。

**非线性域指标（SampEn）：精简CABG分割（调整为7阶段）**
与原始分割一致，精简分割下SampEn离散度的阶段效应未达显著水平，F(3.29, 46.05) = 0.23，p = .89，partial η2 = .02，不支持假设H3。

#### 5. 讨论与结论总结

在讨论部分，研究人员指出，SDNN和HF离散度在不同手术阶段间的显著变化，反映了团队成员在面对不同手术阶段需求时，其生理活动分化程度存在系统性差异。特别是HF离散度在关胸阶段显著升高，可能与该阶段团队成员任务分化和活动差异增大有关，但这一解释需要未来研究进一步验证。呼吸模式未纳入测量，可能对HF结果产生一定影响。SampEn离散度未表现出显著阶段效应，可能原因包括该指标对阶段差异的灵敏度有限，或本研究所采用的阶段分割方式并非影响SampEn离散度的关键因素，但这些解释尚需直接证据支持。

研究局限性包括：样本量较小（15例）；仅纳入四个代表性角色，不能代表整个手术团队；部分临床医生参与了多例手术，导致观测并非完全独立；缺失数据的插补无法完全替代真实生理信号；个体和情境因素（如体力活动、体位、用药、呼吸等）未纳入控制，可能对结果产生影响。未来研究应结合行为编码、工作量评估等独立测量对团队级HRV离散度进行效度验证；采用混合效应模型以纳入重复参与者效应和阶段级协变量；探讨角色特异性HRV轨迹；使用连续时间同步方法和计算建模捕捉团队成员生理信号之间的瞬时耦合变化。在获得充分验证之前，团队级HRV离散度不应被用于临床监测、绩效评估或实时决策支持，其潜在应用价值主要体现在研究领域，例如结合视频行为编码识别值得深入分析的手术阶段，以及为手术团队培训提供实证参考。

研究结论部分指出：在“十年后团队协作的量化测量将是什么样？”这一问题提出十年之后，这项探索性研究发现，团队级SDNN和HF离散度在CABG手术过程中存在随手术阶段变化的规律。在将HRV衍生的团队测量指标解释为团队状态指标之前，需要结合观察到的团队过程、工作量、沟通和手术结局进行进一步验证。经过持续的验证工作，团队级HRV离散度有望为研究安全关键环境中的动态团队协作提供一种有价值的补充测量途径。本研究对人因工程领域具有三点关键意义：生理监测可作为观察法和自我报告法的补充视角，用于研究团队协作的时间动态；团队级生理离散度的解读必须考虑个体和团队层面因素；本研究作为将个体生理数据聚合至团队层面的初步尝试，展示了此类方法为团队状态与过程研究作出理论贡献的潜力，有助于突破以往静态研究设计的局限。