《Biomedical Signal Processing and Control》：Experimental investigation of ECG-derived skin nerve activity in sympathetic tone assessment
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Farnoush Baghestani | Youngsun Kong | Aneesh V. Tolat | William D’Angelo | Ki H. Chon
美国康涅狄格大学生物医学工程系
摘要
传统的心率变异性（HRV）分析广泛用于评估自主神经功能，但在捕捉交
Farnoush Baghestani | Youngsun Kong | Aneesh V. Tolat | William D’Angelo | Ki H. Chon
美国康涅狄格大学生物医学工程系
摘要
传统的心率变异性（HRV）分析广泛用于评估自主神经功能，但在捕捉交感神经系统活动方面存在明显局限。本研究探讨了基于心电图（ECG）的皮肤神经活动（SKNA）的频谱分析，作为HRV的补充指标来评估交感神经张力。我们在两个已知能引发自主神经反应的生理测试中分析了SKNA信号：瓦尔萨尔瓦动作（Valsalva Maneuver）和热炙痛测试（Thermal Grill Pain Test）。SKNA频谱分析一致显示出约0.1 Hz和约0.2–0.3 Hz的主导峰值。因此，我们将其定义为低频（LF）和高频（HF）频段，从而可以直接比较SKNA频谱指数与传统的HRV指标。此外，我们还计算了LF/HF比值，以评估诱发交感神经的刺激如何调节这些频谱成分。另外，我们使用SKNA驱动信号（时域突发检测）来检查在有SKNA突发和无SKNA突发的情况下频谱特征是否存在差异，因为已知SKNA在时间上与交感神经激活相一致。在交感神经激活期间，LF功率和LF/HF比值增加，LF功率超过了HF峰值，反映了频谱功率从HF频段向LF频段的转变。在所有刺激引起的条件下，SKNA在区分交感神经反应方面优于HRV。此外，SKNA驱动信号的存在与向较低频谱频率的转变相关。鉴于低频HRV作为交感神经活动替代指标的局限性，SKNA频谱分析可能成为评估交感神经张力的有价值的补充工具。
引言
自主神经系统（ANS）是神经内分泌系统的重要组成部分，负责调节心脏功能。ANS功能障碍可能由原发性自主神经疾病引起，也可能作为心脏或系统性疾病的结果而继发。另一方面，心脏状况会导致自主神经调节的结构和功能变化[1]。ANS分为两个主要分支：
- •
**交感神经系统（SNS）**负责“战斗或逃跑”反应，通过增加心率和收缩力来应对压力和活动需求。
- •
**副交感神经系统（PNS）**主要通过迷走神经活动起作用，支持“休息和消化”反应，在休息期间降低心率并促进恢复。
SNS和PNS通常被认为是短期心血管控制的主要系统[2]。生理干预往往会引起交感神经和迷走神经流出的相互变化。已经建立了ANS失衡与心血管死亡率之间的显著关系，包括猝死。实验证据进一步支持致命性心律失常的风险增加与交感神经活动过度或迷走神经（副交感神经）张力减弱有关[3]。此外，通过星状神经节阻滞或心脏交感神经切除术治疗交感神经张力增高与室性心律失常负担减少相关[4]。然而，目前尚不存在可靠的、非侵入性的、易于使用的常规方法来评估交感神经张力增高。因此，明确自主神经功能障碍至关重要，这需要开发交感神经-迷走神经失衡的定量指标。
传统的心脏自主神经功能障碍指标包括间接的非侵入性测量方法，如心电图（ECG）及其随后的心率变异性（HRV）分析，以及直接的侵入性微神经图测量。HRV是测量连续心跳间隔振荡的指标，通常在ECG上称为RR间期。HRV的高频（HF）和低频（LF）成分被广泛用于评估自主神经功能，LF/HF比值作为交感神经-迷走神经平衡的指标。LF通常在0.04–0.15 Hz范围内，与交感神经和副交感神经的调节有关。HF在0.15–0.4 Hz范围内，主要与副交感神经活动相关，对应于呼吸性窦性心律失常[2]，[5]，[6]。
最近开发的一种称为“neuECG”的技术能够通过表面ECG测量皮肤神经活动（SKNA），可能为更精确地描述交感神经系统（SNS）铺平道路[7]。先前的研究表明，在冷水和瓦尔萨尔瓦动作等压力测试中，SKNA显著增加。此外，用利多卡因进行双侧星状神经节阻滞（SGB）可以抑制SKNA，表明SKNA起源于星状神经节[7]。在[8]中，neuECG记录显示，在交感神经激活测试期间，SKNA与基于微神经图的皮肤神经活动（SSNA）表现出同步的突发。此外，该研究分析了neuECG对麻醉剂和β-阻滞剂的反应，发现丙泊酚和甲哌噻噻酮显著抑制SKNA。
与RR间期的功率谱分析类似，Meng等人[9]的研究对阻塞性睡眠呼吸暂停（OSA）患者的SKNA应用了频谱分析。结果显示SKNA中出现了VLF（非常低频）、LF和HF振荡，其中HF振荡与正常呼吸一致，而VLF和LF振荡与OSA事件更为相关。另一项研究[10]分析了SKNA和HRV的频域特征，以评估脊髓损伤大鼠模型中的自主神经反射失调（AD）。SKNA频率分析显示，在AD期间LF成分占主导，而在基线时HF成分更为明显，表明AD期间交感神经活动亢进。Nakagawa等人[11]研究了蛛网膜下腔出血（SAH）患者的SKNA和ECG变化之间的关系。利用neuECG记录，研究人员分析了SAH的三个不同阶段：急性期（第1-3天）、延迟脑缺血（DCI）期（第4-14天）和DCI后期（第15天后）。在急性期，SKNA的非突发幅度显著增加，而SKNA和HRV的LF/HF比值均降低，表明交感神经调节失调。
在我们之前的研究[12]，[13]中，我们比较了SKNA和皮肤电活动（EDA）来评估SNS活动。SKNA对SNS激活的反应比EDA更快、更精确，具有显著更好的分类准确性和时间分辨率。
如上所述，一些以疾病为中心的研究已经在临床人群中应用了SKNA频谱分析。相比之下，当前的工作使用短片段和逐突发分析来捕捉具有高时间特异性的短暂交感神经激活，而不是对长时间段进行平均处理或关注病理学。我们研究SKNA频谱特征在受控交感神经刺激下的演变情况，特别是瓦尔萨尔瓦动作和热炙痛诱导的情况，为研究交感神经张力提供了可解释的框架。
此外，我们还评估了可靠提取SKNA频谱特征所需的最小可行采样率。虽然之前的研究依赖于2 kHz采样率来获取500–1000 Hz频段[9]，[10]，[11]，但我们证明了在1 kHz采样率下仍然可以保留关键的频谱特征，这使得可以使用标准的临床ECG监测器进行SKNA测量，无需专门的高采样率采集系统。
部分摘录
数据集
在这项工作中，我们使用了与之前研究[12]相同的数据集。数据如下简要描述。
瓦尔萨尔瓦动作
图3展示了不同实验阶段iSKNA的代表性功率谱密度（PSD），显示了约0.1 Hz（LF）和约0.2–0.3 Hz（HF）范围内的主导频谱峰值，尽管在VM过程中后者的谱功率向前者转移。表2报告了所有受试者在VM不同阶段的iSKNA和RR间期的估计中心频率（频谱峰值）。Missed Peaks列报告了未检测到峰值的片段数量
讨论
我们分析了150 Hz以上频率带的ECG记录，这些记录通常被称为SKNA信号，这些记录是在两种已知能触发交感神经系统（SNS）的刺激下获得的：瓦尔萨尔瓦动作（VM）和热炙痛测试[12]。我们检查了整合SKNA（iSKNA）信号的功率谱密度在常规的低频和高频范围内，以确定SKNA频谱特征是否反映了与交感神经-迷走神经调节类似的趋势
结论
本研究表明，SKNA的频谱分析可能是评估交感神经张力的有前景的工具，特别是在瓦尔萨尔瓦动作和热炙痛测试等自主神经刺激下。我们的发现强调，SKNA频谱特征，尤其是LF/HF比值，可以追踪交感神经激活，提供了比HRV更准确的低频交感神经信息。通过利用更短的分析片段并独立于心周期
资金来源
本研究没有从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何特定资助。
CRediT作者贡献声明
Farnoush Baghestani：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学、正式分析、数据管理。Youngsun Kong：撰写——审稿与编辑、验证、方法学。Aneesh V. Tolat：撰写——审稿与编辑。William D’Angelo：撰写——审稿与编辑、研究。Ki H. Chon：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目策划、概念化。
利益冲突声明
作者没有任何可能被视为潜在利益冲突的财务利益或个人关系。
