脉率变异性(Pulse Rate Variability, PRV)不同于心率变异性(Heart Rate Variability, HRV)：对运动表现与损伤预防的意义

《Sports Medicine - Open》：Pulse Rate Variability Is Not the Same as Heart Rate Variability: Implications for Sports Performance and Injury Prevention

　　

背景：教练和运动员用于追踪运动表现的一项关键指标是心率变异性（Heart Rate Variability, HRV）。经心电图（Electrocardiogram, ECG）计算的HRV已被证实可反映自主神经（Autonomic Nervous System, ANS）功能。然而，许多可穿戴设备利用光电容积脉搏波描记法（Photoplethysmography, PPG）计算脉率变异性（Pulse Rate Variability, PRV）。本研究以一组美式橄榄球运动员为样本，探讨PRV与HRV在逐搏（beat-to-beat）分析中的一致性。方法：分析103名美国大学甲级（Division I）男足运动员三个赛季的数据。测量心率（Heart Rate, HR）、脉率（Pulse Rate, PR）及PRV/HRV的两个时域指标（rMSSD和SDNN）。采用Bland–Altman分析（偏倚、一致限及置信区间）评估PRV与HRV的一致性，辅以误差指标（平均绝对误差MAE、均方根误差RMSE、Pearson相关系数r及Lin's一致性相关系数）。为评估PRV能否在同一天检测到与HRV同等幅度的自主神经偏离，采用滑动窗口z分数阈值穿越分析（0.5–2.0 SD）量化PRV检出率及其延迟。结果：HR与PR相近［59.4(10.3) bpm vs. 59.7(10.3) bpm］；相反，PPG-PRV的rMSSD和SDNN值均低于ECG-HRV［rMSSD：80.9(23.1) ms vs. 103.9(22.0) ms；SDNN：141.3(41.7) ms vs. 167.9(40.0) ms］。Bland–Altman分析显示，无论PPG波长、种族及肥胖状况，rMSSD和SDNN均存在负偏倚，而HR/PR一致性高、偏倚小（0.24–0.44 bpm）。偏离事件分析中，PRV在同一天检出的自主神经功能恶化事件少于HRV——在不同阈值下，rMSSD事件捕获率为16.7%～56.7%，SDNN事件为16.8%～52.0%；且PRV较ECG-HRV平均滞后1.8～5.5天才检测出已由心电图识别的变化。结论：研究结果否定了PPG-PRV可作为ECG-HRV追踪自主神经功能的等效替代指标。具体而言，使用PPG-PRV追踪运动员自主神经功能时存在响应延迟，将导致教练错失预防自主神经恶化的时机。最后，PPG计算的PRV不应被称为HRV，以免误导科研人员和消费者。

本文对发表于《Sports Medicine - Open》的研究论文《Pulse Rate Variability Is Not the Same as Heart Rate Variability: Implications for Sports Performance and Injury Prevention》进行解读总结。

研究背景与目的

心率变异性（Heart Rate Variability, HRV）——即逐次心跳R–R间期（R–R interval, RRI）的微小变异——是评估自主神经（Autonomic Nervous System, ANS）交感与副交感神经张力平衡的金标准指标，通常通过心电图（Electrocardiogram, ECG）精确记录R波间期的NN间期（正常窦性RR间期，noise-free RR intervals）来计算。在竞技体育中，长期监测晨起HRV可用于早期识别过度训练、非功能性过度负荷（non-functional overreaching）及自主神经功能恶化，从而指导训练负荷调整与损伤预防。然而，市面上绝大多数消费级可穿戴设备采用光电容积脉搏波描记法（Photoplethysmography, PPG）检测外周脉搏波，以其峰峰值间隔（pulse-to-pulse interval, PP interval）计算所谓"HRV"，实际上应称为脉率变异性（Pulse Rate Variability, PRV）。PPG信号反映的是外周微血管血容量变化，受血压、血管顺应性、外周阻力及皮肤色素、温度等干扰，且血管本身对高频成分有低通滤波作用，理论上PRV与HRV存在生理与物理基础差异。尽管既往有部分研究认为二者"相关性尚可"，但缺乏在大样本运动员群体中、同日逐搏比对PRV能否等同HRV用于追踪训练引起的ANS动态变化的研究。因此，研究人员假设PPG-PRV与ECG-HRV一致性差，且会系统性低估HRV数值。

研究队列与方法概要

研究人员前瞻性收集美国东南部一所大学Division I男子美式橄榄球队103名健康男性运动员（平均年龄22.2±2.1岁，BMI 29.9±5.1 kg/m2，34.2%达肥胖标准）连续三个赛季（2022–2024年）、共27周训练季、每晨静息坐位佩戴同步ECG+PPG臂带（Warfighter Monitor?）测得的12,726组数据集。ECG经8–15 Hz带通滤波后以改良Pan–Tompkins算法检测R波，计算HR及HRV时域指标rMSSD（相邻NN间期差值的均方根，root mean square of successive differences between NN intervals）和SDNN（NN间期标准差，standard deviation of the NN interval）；PPG经0.25–5 Hz带通滤波后检测容积脉搏波主峰，计算PR及PRV同名指标。采用Bland–Altman分析评估PRV与HRV一致性（偏倚bias、95%一致限LoA），辅以MAE、RMSE、Pearson r及Lin's一致性相关系数（CCC, concordance correlation coefficient）；进一步以21天滑动窗口计算每日z分数，设定HRV低于均值0.5/1.0/1.5/2.0 SD为自主神经恶化事件，统计PRV同日检出率及滞后天数。

研究结果

基础数值比较

运动员静息心率（HR）与脉率（PR）高度接近［59.4(10.3) bpm vs. 59.7(10.3) bpm］，但PPG-PRV的rMSSD与SDNN显著低于ECG-HRV［rMSSD：80.9(23.1) ms vs. 103.9(22.0) ms；SDNN：141.3(41.7) ms vs. 167.9(40.0) ms］，表明PRV系统性低估HRV时域参数。

Bland–Altman一致性分析

无论采用红光、绿光或红外光PPG波长，也无论按种族（非西班牙裔黑人、白人、拉丁裔）或BMI分组（肥胖/非肥胖），rMSSD和SDNN均呈持续负偏倚（红光PPG：rMSSD bias＝?23.004 ms，CCC＝0.627；SDNN bias＝?26.683 ms，CCC＝0.788），而HR/PR偏倚极小（0.244 bpm，CCC＝0.995）。说明PRV与HRV在变异性指标上不一致，但在单纯心率数值上仍可靠。

自主神经恶化事件同日检出率

以滑动窗口z分数低于阈值定义ANS恶化事件，PRV同日跨阈检出率远低于HRV：rMSSD事件PRV仅捕获23.0%～48.9%，SDNN事件仅捕获16.7%～56.7%（依窗口宽度与阈值略有波动）。表明即便PRV与HRV总体趋势相关，PRV常无法在HRV已提示异常的同一天识别出自主神经功能恶化。

PRV检测延迟分析

以21天滑动窗口分析，PRV较ECG-HRV检测出同等幅度改变平均滞后1.8～5.5天（依阈值不同），且ANS活动降幅越大，PRV延迟越长。说明PRV对训练引起的短期ANS波动敏感性不足，存在显著时间滞后。

讨论与结论翻译

本研究核心发现为：（1）多波长PPG-PRV较ECG-HRV系统性低估rMSSD和SDNN，不受种族、PPG波长及肥胖状况影响；（2）PRV较HRV少报告大量自主神经功能恶化阈值穿越事件；（3）PRV检测ANS功能变化存在显著时滞。综上，PPG-PRV不等同于运动员人群中的ECG-HRV，不应被接受为HRV的合适替代指标。

结论（Conclusio部分原文意译）： 本研究表明PPG作为ECG-HRV测量的替代手段在运动员群体中存在显著局限。PPG衍生的PRV显著低估HRV值，且仅能检出ECG-HRV识别出的少部分具临床意义的ANS变化（16.7%～56.7%），且PRV滞后1.8～5.5天才检测出同等幅度的ANS改变。这些发现表明PPG-PRV并非ECG-HRV的直接替代物，使用PPG-PRV可能增加教练错过预防过度训练及由未识别ANS紊乱导致运动表现下降的关键窗口期的风险。研究人员建议教练应使用基于ECG的监测设备准确追踪HRV。虽然PPG-PRV不能准确估算HRV，但PPG技术仍可用于估算血氧饱和度等其他生理参数。未来研究应纳入女性运动员及其他运动项目。最后，基于PPG计算的搏动间期指标应明确标注为PRV而非HRV。