心率变异性作为急性心理应激与心脏异常的无创传感指标：基于BIOPAC的比较研究

《IEEE Sensors Reviews》：Heart Rate Variability as a Noninvasive Sensor for Acute Mental Stress and Cardiac Abnormalities: Comparative Study

本刊推荐：针对急性心理应激与心脏异常监测需求，研究团队开展基于心率变异性（HRV）的无创传感比较研究。通过BIOPAC系统采集正常样本与心律失常患者的ECG数据，结合时域、频域和非线性参数分析，发现HRV参数可有效区分自主神经系统平衡状态。该研究为实时生理监测提供了可靠方法，对心血管疾病早期预警具有重要意义。

　　

在现代社会快节奏生活与高压环境下，心理应激已成为不容忽视的健康威胁。急性心理应激若长期累积，可能引发自主神经系统（ANS）功能紊乱，进而导致心血管疾病风险显著升高。传统的心脏功能评估多依赖心电图（ECG）检查，但常规ECG仅能捕捉静态心电活动，难以动态反映自主神经的实时调节能力。此时，心率变异性（HRV）分析技术应运而生——它通过计算连续心跳间期（RR间期）的微小波动，成为评估自主神经功能的“动态心电图”。

然而，现有研究对HRV指标在急性心理应激监测中的适用性仍存争议：不同环境下的应激反应特征尚未明确，HRV参数与心脏异常之间的关联机制有待深入挖掘。正是为了解决这一难题，来自印度理工学院（印度矿业学院）和GL Bajaj技术管理学院的联合研究团队在《IEEE Sensors Reviews》发表了创新性研究，通过高精度BIOPAC生理信号采集系统，开展了一场跨越不同生活环境的“心脏应激对比实验”。

研究团队采用非侵入性实验方案，精心设计了两组对照：Subject 1代表正常城市生活环境，Subject 2模拟长期暴露于煤矿烟雾环境的职业人群。通过BIOPAC MP160系统以1000Hz采样率同步采集ECG与呼吸信号，结合Pan-Tompkins算法实时检测R波峰值，构建RR间期序列。核心分析方法涵盖三大维度：时域参数（SDNN、RMSSD、pNN50等）、频域参数（LF、HF、VLF功率谱）以及非线性分析（Poincaré图、样本熵）。特别引入自主神经平衡指数（ANS Index）量化交感神经（SNS）与副交感神经（PNS）活动强度。

时域分析揭示应激生理印记

Subject 1的平均RR间期为798ms，显著高于Subject 2的637ms，后者同时伴随SDNN值降低（78.8ms vs 22.6ms）和压力指数（SI）升高（11.2 vs 24.5）。这些数据表明，长期处于应激环境的个体存在明显交感神经优势，心率变异能力下降约71.4%。

频域分析解码自主神经频谱特征

Subject 1的LF/HF比值为1.213，而Subject 2为1.040。但值得注意的是，Subject 2的总功率（1929ms2）不足Subject 1（4766ms2）的一半，且HF频段功率下降63.4%，提示其副交感神经调节功能严重受损。

非线性分析展现心率动力学复杂性

Poincaré图中Subject 2的SD1/SD2比值（1.719）高于Subject 1（1.512），样本熵（SampEn）从0.732升至1.406，反映其心率调节的混沌程度增加。这种非线性特征的变化与自主神经失衡具有强相关性。

自主神经指数精准量化失衡状态

Subject 2的SNS指数高达2.90（Subject 1为1.45），而PNS指数均为负值。这种“高交感-低副交感”的模式典型存在于慢性应激人群，从生理学角度验证了环境压力对自主神经的持续影响。

这项研究的突破性在于构建了多维度HRV评估框架，首次通过BIOPAC系统实现ECG与呼吸信号的同步动态监测。研究发现，HRV参数中RMSSD与LF/HF比值对急性心理应激最为敏感，而SDNN与总功率可有效识别长期自主神经功能损伤。特别值得关注的是，研究提出的ANS指数量化模型，为临床评估心理应激相关心血管风险提供了可量化的生物标志物。

对于职业健康监护领域，该研究提供了一套低成本、高精度的应激评估方案。通过便携式ECG设备结合HRV分析算法，可对高风险职业人群（如矿工、急救人员等）实施长期动态监测，早期发现自主神经功能异常。在智慧医疗场景下，该技术可与可穿戴设备结合，构建个人健康预警系统，实现从“疾病治疗”到“健康维护”的范式转变。

未来研究可进一步扩大样本队列，结合机器学习算法建立HRV参数与心血管事件的预测模型。同时，探索不同应激干预措施（如呼吸训练、正念冥想）对HRV参数的调节效应，将推动个性化健康管理方案的精准落地。这项研究不仅为生理传感技术开辟了新路径，更为构建人类命运共同体下的健康防护网络提供了重要科学支撑。