集團官網 生命科學 科學教育 人體研究 醫護教育
線上報修
KNOWLEDGE
首頁

應用教學

KNOWLEDGE
首頁

應用教學

自律神經系統 (ANS) 功能分析 - Kubios

DEC 31 ,2024

文章分類：產品新知

 

 

以下節自Kubios's Blog - Analysis of Autonomic Nervous System (ANS) Function

 

 

 

 

自律神經系統 (ANS) 功能分析

 

心率變異性（Heart rate variability，HRV）是評估自律神經系統（Autonomic Nervous System，ANS）功能最可靠的指標之一。當採用 Valsalva maneuver（伐式呼吸法）、深呼吸（Deep Breathing，DB）和抬頭-傾斜考驗（head-up tilt challenge）等受控動作時，這種可靠性尤其明顯。 自律神經功能測試的高再現性，加上這些測試相對簡單的特性，使它們成為很寶貴的工具。

 

自律神經功能的評估具有雙重目的：既可以確認自律神經系統（ANS）的正常運作，也可以在涉及自律神經功能障礙或神經病變的研究中發揮關鍵作用。自律神經系統透過其兩個分支——副交感神經系統（Parasympathetic Nervous System，PNS）和交感神經系統（Sympathetic Nervous System，SNS）之間的動態交互作用來運作。交感神經和副交感神經活化之間任何的平衡變化都很容易反映在自律神經系統的測試結果中，如本文所述。

 

自律神經系統功能的變化可以表現為暫時性或永久性的改變。暫時性的變化可能是由於偶發的心理社會壓力或生理壓力因素、或在感染期間，導致交感神經與副交感神經平衡增加而產生。另一方面，永久性自律神經功能障礙通常源自於慢性疾病，如糖尿病，進而引發自律神經病變。此外，老化的過程本身也與自律神經系統功能的減退有關。

 

評估自律神經系統功能的標準測試包括伐氏操作、深呼吸和抬頭-傾斜考驗，統稱為 Ewing tests。在接下來的部分，我們將深入探討這些測試及其相關的數據分析。

 

 

 

 

伐氏操作/伐氏呼吸法/努責現象/閉氣加壓法 （Valsalva maneuver）

 

在伐式操作（Valsalva maneuver）中，受試者用吹嘴用力呼氣，產生40 mmHg 壓力，並持續 15 秒鐘。這個操作可用來評估自律神經系統功能，並觀察操作期間以及操作後的心率反應。

 

  • 操作過程期間，由於交感神經活動的增強，心率通常會上升。這種交感神經反應是由胸腔內壓力增加導致的主動脈血壓下降，進而使得血液從心臟流向其他部位。
  • 操作結束後當下，心率會繼續短暫上升。這種心率上升是由兩個因素造成的：首先是自然反射作用，受試者在伐式操作後深呼吸，導致迷走神經抑制；其次是交感神經系統的反應略有延遲。
  • 操作結束後不久，心率會下降，這是由於血壓的突然上升，激發了壓力感受器並啟動副交感神經對心臟的作用。血壓上升主要是由於胸腔內壓力恢復正常，而使得血液重新回流到心臟；同時，部分的原因是因為交感神經活動持續存在，導致周邊血管收縮。

 

 

 

伐式比率（Valsalva Ratio）

 

伐式比率的計算為「操作後不久（0-30 秒）的最長 RR 間隔與操作期間或操作後立即（0-5 秒）的最短 RR 間隔的比率」。為了提高 Valsalva 比率的準確性，通常使用最長和最短間隔的 5 次心跳平均值來進行計算。圖 1 顯示了伐式操作後的典型心率反應。

 

就健康的成人來說，伐氏比率值為 1.2 或更高都被認為是正常的。Ewing等人（1985）將 1.1 和 1.2 之間的值視為臨界狀態，將 1.1 或更低的值視為異常。此外，Risk等人（2001）根據年齡和性別提供了伐式比率的常模數值。對於20-80歲的健康女性而言，平均比率會隨著年齡增長而直線下降，範圍大約從 2.1 降至 1.4 ；而在同年齡範圍內的男性，其下降幅度則從 2.1 降至 1.3。表 1 總結了與年齡相關的伐式比率之正常下限。

 

在 Kubios HRV 軟體中，伐氏比率的數值是使用健康成人常模的四區模型來表示，這些區域分別為：非常低（1.00–1.10）、低（1.10–1.20）、正常（1.20–2.10） 和高（2.10 –3.00）。對於所有年齡層的健康成人來說，如果伐氏比率落入「非常低」的區間，都會被視為是異常偏低的。而年輕人（40 歲以下）的話，其伐式比率則通常會是在「正常」或是「高」的區間內。

 

Analysis of autonomic nervous system (ANS) function Heart rate response to Valsalva maneuver
圖 1：健康個體對伐式操作的心率反應，包括 RR 間期資料、5 次心跳平均資料和伐式比率（RR 最大值/RR 最小值）。

 

 

 

 

深呼吸考驗

 

在深呼吸考驗期間，受試者被要求以每分鐘六次呼吸的速度進行吸氣和吐氣，相當於 0.10 Hz 的呼吸頻率。這種控制的呼吸速率應該透過節拍器或類似設備來進行調控，或透過使用準備好的深呼吸節奏影片來調節。接下來的部分將概述自律神經系統功能以及其在深呼吸考驗期間所引發的心率反應。

 

  • 吸氣時，橫膈膜收縮並向下移動，使胸腔擴張，同時降低胸腔內壓力，有利於空氣進入肺部。這個動作使得動脈血壓下降，致使壓力感受器失效並減弱迷走神經的張力，最終導致心率上升。
  • 吐氣時，橫膈膜放鬆並向上移動，壓迫胸腔，胸腔內壓力升高，將空氣從肺部排出。這個動作使得動脈血壓上升，啟動壓力感受器並導致心率降低。

 

因此，健康個體的心率會根據呼吸頻率表現出明顯的調節－在吸氣時加速，呼氣時會減速。這些心率的波動，即使在進行深呼吸練習時手動檢查手腕脈搏，也可以輕鬆觀察得到。

 

 

 

 

心率（HR）對深​呼吸的反應

 

為了評估心率對深呼吸的反應，我們會檢測在呼氣階段結束時觀察到的最長 RR 間隔，以及在吸氣階段結束時觀察到最短的 RR 間隔。然後對測試期間所發生之呼吸週期的這些間隔進行平均。心率 (HR) 反應會被量化為最大和最小心率之間的差值（以每分鐘心跳次數為單位），根據平均 RR 間隔的極值點計算得出。換句話說，對深呼吸的反應可以被記錄為平均 RR 間隔極值點之間的差值 (EI) 或比率 (E/I)：

 

  \begin{eqnarray*} {\rm E}-{\rm I} &=& {\rm RR}_{\rm max} - {\rm RR}_{\rm min} \\ {\rm E}/{\rm I} &=& {\rm RR}_{\rm max} / {\rm RR}_{\rm min} \end{eqnarray*}

 

在這裡，RRmax表示在呼氣階段結束時觀察到的最長 RR 間隔之平均值，RRmin則表示在吸氣階段結束時觀察到的最短 RR 間隔之平均值。圖 2 顯示了深呼吸考驗中典型的心率反應。

 

對於健康成人而言，若達到 15 次/分鐘或以上，被視為是正常；若為 10-15 次/分鐘，則為臨界值，若低於 10 次/分鐘，則為異常。同樣地，年輕人的 E/I 比率應高於 1.2（Zygmunt & Stanczyk，2010）。心率反應和 E/I 比率都會受到年齡的影響。對於 16-70 歲的健康成人來說，平均 E/I 比值從 1.62 下降至 1.20 。值得注意的是，E/I 比率也受到靜止心率的顯著影響，因為較低的靜止心率值會導致較高的 E/I 比率，即使心率反應（即最大和最小心率之間的差值）保持不變。表 1 總結了與年齡相關的深呼吸測試的正常下限。

 

在Kubios HRV 軟體中，心率對深呼吸的反應是使用基於健康成正常值的的四區模型來表示：非常低（VERY LOW，0–6 次/分鐘）、低（LOW，6–11 次/分鐘）、正常（NORMAL，11–35 次/分鐘） 和 高（HIGH，35–55 次/分鐘）。對於所有年齡層的健康成人來說，落入「非常低」的區間，其心率反應會被認為異常偏低。年輕人（40 歲以下）的心率反應，一般來說預期是會處於「正常」或「高」的區間。

 

 

 

 

深呼吸考驗期間的心率變異性

 

靜止心率或深呼吸期間的平均心率通常應低於 100 次/分鐘。此外，我們可以計算呼吸性竇性心律不整 (Respiratory Sinus Arrhythmia，RSA) 的振幅，即以呼吸頻率為中心的 RR 間隔波動的頻譜振幅。 RSA 振幅描述了與呼吸相關的心率變異程度。其次，副交感神經系統指數提供了受試者的靜止心率變異性相較於成年人正常值的說明。最後，其他常用的心率變異性測量指標（例如，RMSSD 或 SDNN）也可用於表示深呼吸考驗期間的心率變異性振幅。

 

Heart rate (HR) response to deep breathing Heart rate (HR) response to deep breathing challenge
圖 2：健康個體對深呼吸考驗的心率反應，包括 RR 間隔資料、RR 間隔極值點和心率反應（心率最大 - 心率最小）。

 

 

 

 

抬頭-傾斜（Head-up tilt）考驗

 

第三個標準自律神經功能測試涉及評估心率對抬頭-傾斜的反應。此項測試通常是透過指示受試者在仰臥位置休息後站起來（「主動傾斜」）或使用傾斜床將受試者從仰臥位置傾斜到直立位置（「被動傾斜」）來進行。為了確保能準確評估心率反應和心率變異性，仰臥姿勢和直立姿勢均應保持至少 5 分鐘。接下來，讓我們深入了解在這項測試過程中自律神經系統內部發生了什麼。

 

  • 在仰臥時，我們的身體處於休息狀態，自律神經系統的副交感神經作用佔主導地位。因此，在仰臥休息時，我們的心率較低，且心率變異性較高。
  • 抬頭傾斜會導致血液從上半身大量移動至腹部和下肢，進而減少上半身的血液量。這會導致心輸出量和血壓下降。為了應對這種血壓突然的下降，交感神經系統會被啟動，導致心率上升和周邊血管收縮。 
  • 直立傾斜後，心率會逐漸上升，並在姿勢改變後約 15 秒左右達到高峰。不久之後，隨著交感神經和副交感神經活動之間的平衡穩定，建立了一個新的基準。與仰臥姿勢相比，直立時平均心率較高，心率變異性較低，尤其是對副交感神經活動敏感的指標，其變化又更為明顯。

 

 

 

 

30:15 比率

 

Ewing 等人（1985）觀察到，在採取直立姿勢後，心率約在第 15 次心跳時達到最大值，隨後出現相對緩慢的心跳過緩，導致心率約在第 30 次時達到局部最小值。第 30 次心跳附近的最長 RR 間隔與第 15 次心跳附近的最短 RR 間隔之間的比率，將其定義為 30:15 比率。

 

對於16-69歲的健康成人而言，平均 30:15 比率為 1.29，但若是為 1.05 或更高的值，也被認為是正常的。表 1 總結了與年齡相關的 30:15 比率的正常下限。

 

在 Kubios HRV 軟體中，30:15 比率是基於健康成人的正常值，使用四區模型來表示：非常低 (1.00–1.02)、低 (1.02–1.05)、正常 (1.05–1.35) 和高(1.35 –1.80)。對於所有年齡層的健康成人來說，30:15 的比率若是落在非常低的區間，會被認為是異常偏低。而年輕人（40 歲以下）則預期 30:15 比率是落在正常或是偏高的區間。

 

 

 

 

抬頭-傾斜試驗的心率變異性測量

 

可以評估多種心率變異性參數來檢視從仰臥姿勢到直立姿勢的過渡期間中自律神經功能如何變化。仰臥姿勢可提供自主呼吸下的靜止心率和靜止心率變異性。隨著姿勢變化，副交感神經活動相關的心率變異性下降，使得副交感神經指數降低。標準時域和頻域的心率變異性參數可以進一步闡明自律神經功能的變化。具體來說，心率變異性的低頻 (LF) 和高頻 (HF) 頻譜成分對於評估交感神經-迷走神經平衡的變化很有價值。然而，確保呼吸頻率位於 HF 範圍內十分重要，經過軟體驗證的呼吸頻率 (RESP) 估算在這方面就非常有用。

 

Heart rate (HR) response to head-up tilt, the 30:15 ratio Heart rate (HR) response to head-up tilt challenge
圖 3：健康個體對抬頭-傾斜考驗的心率反應，包括 RR 間隔資料、5 次心跳平均資料和 30:15 比率 (RR30 / RR15)。

 

 

 

表 1：與年齡相關的伐式操作、深呼吸和抬頭-傾斜測試結果的下限值

年齡 (歲) 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
伐式操作                    
Valsalva ratio 1.22 1.22 1.21 1.20 1.19 1.19 1.18 1.17 1.17 1.16
深呼吸                    
HR response 13 12 11 11 10 9 9 8 8 7
E-I (ms) 136 127 119 112 105 98 92 86 81 76
E/I 1.20 1.18 1.16 1.14 1.13 1.12 1.11 1.10 1.09 1.08
RMSSD (ms) 19 18 16 15 14 13 12 11 10 9
抬頭-傾斜                    
30:15 ratio 1.15 1.14 1.12 1.11 1.10 1.09 1.08 1.07 1.07 1.05
RMSSD (supine) 16 15 13 11 10 9 8 7 6 6

Values are derived from Smith 1982, Ziegler et al. 1992, and Baron & Ewing 1999.

 

 

 

 

常見問題 (FAQ)

 

 

什麼是自律神經系統功能分析？ 

 

自律神經系統功能分析是評估自律神經系統如何調節身體過程，如心率、血壓和呼吸等。這項分析有助於了解交感神經和副交感神經兩個分支之間的平衡，並提供有關壓力反應、放鬆狀態以及整體健康狀況的見解。

 

 

 

什麼是 Ewing 測試組合？

 

Ewing 測試組合是一系列用來評估自律神經系統功能的測試，特別是針對糖尿病患者或疑似有自律神經功能障礙的群體。這些測試會測量對各種刺激的反應，例如伐式操作、深呼吸以及由躺位到站立的變化，目的在於檢測心血管自律神經自主控制的異常情況。

 

 

 

Kubios 軟體如何分析自律神經系統功能？

 

Kubios 軟體計算標準自律神經系統功能參數，例如，伐式比率、深呼吸的心率反應以及抬頭-傾斜的 30:15 比率。此外，Kubios HRV 軟體透過使用心率變異性指標來分析自律神經系統功能，以提供交感神經和副交感神經系統活動的詳細觀點。

 

 

 

如何偵測自律神經系統功能障礙？

 

自律神經系統功能障礙可以透過異常心率和心率變異性反應、血壓波動和其他臨床症狀來檢測。Ewing 測試組合和其他臨床評估方法則可用於評估自律神經系統功能障礙的程度和性質。

 

 

 

 

References

 

  1. Baron R and Ewing DJ. Heart rate variability. In Recommendations for the Practice of Clinical Neurophysiology: Guidelines of the International Federation of Clinical Physiology (Eds. Deuschl G and Eisen A), Chapter 7.2, pp. 283-286, 1999.
  2. Ewing DJ, Martyn CN, Young RJ, and Clarke BF. The value of cardiovascular autonomic function tests: 10 years experience in diabetes. Diabetes Care, 8:491-498, 1985.
  3. Hilz MJ and Dütsch M. Quantitative studies of autonomic function. Muscle Nerve. 33(1):6-20, 2006.
  4. Jha RK, Acharya A, and Nepal O. Autonomic influence on heart rate for deep breathing and valsalva maneuver in healthy subjects. J Nepal Med Assoc, 56(211):670-673, 2018.
  5. Novak P. Quantitative autonomic testing. J Vis Exp, 53(e2502):1-24, 2011.
  6. Risk M, Bril V, Broadbridge C, and Cohen A. Heart rate variability measurement in diabetic neuropathy: review of methods. DiabetesTechnol & Therap, 3(1):63-76, 2001.
  7. Smith SA. Reduced sinus arrhythmia in diabetic autonomic neuropathy: diagnostic value of an age-related normal range. Br Med J, 285:1599-1601, 1982.
  8. Ziegler D, Laux G, Spüler M, Mühlen H, Mayer P, and Gries FA. Assessment of cardiovascular autonomic function: age-related  normal ranges and reproducibility of spectral analysis, vector analysis, and standard tests of heart rate variation and blood  pressure responses. Diabetic Med, 9(2):166-175, 1992.
  9. Zygmunt A and Stanczyk J. Methods of evaluation of autonomic nervous system function. Arch Med Sci, 6(1):11-18, 2010.

 

 

 

 

未來還會持續推出不同產品或應用方面的應用資訊喔！還請多多關注我們！

 

歡迎加入我們的社群頁面，隨時獲得最新消息！

 

  

 

相關產品

Kubios HRV 專業分析軟體
返回列表