在评估心肺耦合强度的意义运动医学
拉斐尔马丁斯德阿伯
比阿特丽斯开罗
阿尔贝托门- 1理疗科,LUNEX大学国际大学健康、锻炼和运动S.A.、Differdange、卢森堡
- 2LUNEX ASBL卢森堡健康与体育科学研究所,Differdange、卢森堡
- 3大学生物医学科学系的卫生米兰,米兰,意大利
- 4心胸、血管麻醉和重症监护,IRCCS亲自到圣Donato圣Donato米兰,意大利
心肺耦合(CRC)的估计是吸引兴趣体育生理学作为一种重要的工具来描述心脏呼吸运动真正受神经调节。当应用于运动医学,心肺耦合测量可以提供信息的影响训练,赛前的压力,以及在压力刺激心血管调整。此外,由于心肺耦合强烈影响身体活动,心肺耦合的研究可以指导具体的训练方法的应用优化自主活动和心脏之间的耦合可能对性能的影响。然而,达成共识的生理机制,以及方法论的黄金标准量化心肺耦合的方法,尚未达到,从而限制其应用在实验设置。本文支持的相关性评估心肺耦合运动医学,探讨了可能的生理机制,列出了一系列的方法论的方法。心肺耦合强度似乎增加了运动员相比,久坐不动的主题,除了与积极的生理相关的结果,如可能更好的交互神经子系统应对压力的刺激。此外,心肺耦合似乎受到特定的培训形式,如吸气肌训练。然而,心肺耦合运动性能的影响仍然需要更好的探索特别的体育锻炼测试和协议。此外,本文强调,提出了几种二元和多元方法来评估心肺耦合,从而打开新的可能性评估心肺交互的运动员。
介绍
心脏和肺之间复杂的相互作用一直是研究的主题自第一记录呼吸性窦性心律不齐(RSA) 1847年由卡尔路德维希(路德维希,1847)。这种耦合吸引专家在不同的科学领域的利益超越生理和医学。在医学领域,心肺监管的理解可以打开新的可能性的临床干预措施。与此同时,在生物医学信号处理领域,众多量化方法心肺耦合(CRC)评估提出了考虑复杂的线性和非线性的呼吸系统和心脏之间的相互作用,以及它们的闭环与反馈和前馈机制之间的关系。CRC有关心脏的神经控制段(HP)由呼吸、共同投入、共同的节奏,和它们之间的互补功能(迪克et al ., 2014)。虽然CRC测量的生理机制和应用程序仍在接受调查,提出了一些假设。根据Elstad et al。(2018)有三种类型的心肺交互可以确定CRC:呼吸性窦性心律不齐;cardioventilatory耦合;和呼吸中风卷同步(图1)。
图1。主要参与心肺交互机制。
众所周知,惠普自发波动(即根据呼吸及其阶段。,inspiration and expiration): this physiological phenomenon corresponds to RSA and may partly explain the generation of the CRC pattern (Eckberg 2009;迪克et al ., 2014)。RSA描述心动周期的修改与呼吸,惠普在灵感的缩短和延长到期期间,在生理条件下(Eckberg 2003)。这一现象可能是由神经机制,如中央呼吸中枢调节迷走神经运动神经元活动的影响,在呼吸和胸内的压强和中风体积的变化阶段征求压力(Eckberg 2003;Eckberg 2009)。在灵感有减少胸廓内的胸腔压力导致增加肺微循环合规;因此,静脉返回是促进了血液的右侧的心。然而,室间隔向左边是机械压缩,减少左心房填满。因此,左心室输出,血压下降,导致惠普baroreflex-mediated减少与补偿的目标血压下降(Connolly et al ., 1954)。此外,抑制延髓的迷走神经运动神经元同时预计呼吸。过期反向发生期间,左边中风体积增加,那么血压。因此,压力和呼吸中心活动调节迷走神经的反应,增加惠普(Eckberg 2009)。更复杂的交互呼吸中心可以门迷走神经活动不管动脉压力的修改,即不管压力的干预(Eckberg 2009;迪克et al ., 2014),观察在长时间的呼吸暂停。
几种方法来量化CRC的现象。传统上,单变量线性测量基于频域指标的惠普变化应用于研究心脏自主调节,特别是与副交感神经分支的活动有关。高频(HF,从0.15到0.4 Hz)权力表达绝对的单位,通常女士2的影响,通常被用来估计心脏神经调节(即呼吸。RSA)。然而,考虑到上述子系统的复杂的相互作用和潜在的压力中介的作用,网络生理学方法可能更适合CRC的评估,特别是是否分析旨在排除混杂因素的影响。网络生理学尤其适合研究复杂的交互在多个级别的集成管理机制和器官(伊万诺夫,2021)。在CRC的分析中,生理学方法可以支持网络的描述神经网络在惠普和呼吸之间的耦合的基础上,以及它如何能调制,例如,通过体育锻炼。
因此,CRC的计算必须考虑至少(即双变量分析框架。,HP variability and respiration), although the inclusion of systolic arterial pressure (SAP) to the model as a confounding factor might also be necessary to account for influence the baroreflex (德阿伯et al ., 2020;门et al ., 2012)。线性模型可能还不足以量化生理子系统交互的复杂性以非线性的方式(Hayano璧,2019)和方向性的生物信号之间的相互作用(例如,从呼吸到惠普系列)应该考虑更好的理解因果心肺关系(门et al ., 2013 b;舒尔茨et al ., 2013;德阿伯et al ., 2020)。此外,长期以来建立了(Penzel et al ., 2016;Elstad et al ., 2018CRC)是一个复杂的现象包括不同形式的两个系统之间的交互,这并不总是观察到与此同时在相同的实验条件和人口(谢弗et al ., 1998)。
众所周知,心脏和呼吸系统有多种形式的耦合,在不同的时间尺度可以同时共存,断断续续的“开”和“关”。因此,除了传统的RSA措施,量化的呼吸相同步(crp)可能是重要的决定CRC的程度,而时间延迟稳定(TDS)分析可以允许监控延迟的闭环惠普和呼吸之间的关系(Bartsch et al ., 2012;Bartsch et al ., 2014)。crp和TDS可能开放多个窗口CRC通过提供独特的描述方面的现象,不能完全被传统的标记,如呼吸速率和层次的自主调制(Bartsch et al ., 2014)。
计算CRC索引似乎有用的运动医学和强烈影响体育锻炼。有一个假设,CRC的增加与气体交换效率通过匹配肺灌注期间通风灵感,这可能是与更高的签证官2峰值,因为签证官2峰确定在一定程度上由一个伟大的气体交换的效率(迪克et al ., 2014;Hayano璧,2019;阿伯et al ., 2022 a)。例如,众所周知,RSA增加在高强度训练时间在跑步者(de Meersman 1992和骑自行车的人阿尔安尼et al ., 1996),与签证官的显著增加2峰。在(佩里et al ., 2020,2019年)增加了c反应蛋白被发现在运动员从事高强度训练,鼓励控制,有节奏的呼吸和其他个体执行节奏的运动形式。
符合这些发现,最近的一项研究表明,骑自行车的人有更大的CRC强度相比,久坐的人(阿伯et al ., 2022 b)。此外,这种差异被发现只有当非线性方法被应用于计算CRC,如联合象征性分析(阿伯et al ., 2022 a)。此外,增加CRC期间发现暴露在激烈的有氧运动在缺氧的情况下(Uryumtsev et al ., 2020)。相反,减少CRC强度与情境唤起同情音调很高(Iatsenko et al ., 2013)。的确,CRC逐步减少在分级挡风玻璃倾斜(门et al ., 2012)。
本文探讨在运动医学的相关性评估CRC清单在运动员和一系列的应用程序提供一些建议为其量化的方法可以利用。
二元和多元CRC评估应用于运动员
CRC在运动员的估计方法进行了总结表1。第一次显示了CRC评价运动员的兴趣谢弗et al。(1998),谢弗et al。(1999)评价crp在高性能青少年游泳吗通过的原始方法synchrogram (谢弗et al ., 1998)。这种技术计算阶段发生的每个心跳吸气发作。阶段绘制的心脏跳动的次数。时代的同步出现n图中横线。通过分组分析可以更复杂米连续呼吸周期和评估每个心跳的阶段就开始第一个呼吸周期,从而区分更复杂n:米从简单的锁相n:1的比例,n是心跳检测到重复的阶段内的数量吗米呼吸周期。synchrogram分析的优点是这种方法占crp的非线性机制,可以区分在同一记录多个c反应蛋白在不同的时期n:米比率,没有任何先天的假设。由于开创性的研究,应用synchrogram游泳者(谢弗et al ., 1998;谢弗et al ., 1999),铁人运动员中应用的方法(Angelova et al ., 2021)、业余自行车(开罗et al ., 2021),在协议的节奏呼吸呼吸率很高(佩里et al ., 2019;佩里et al ., 2020)。指标用于量化的synchrogram运动员从同步时间的总长度n:米比(谢弗et al ., 1998;谢弗et al ., 1999;Angelova et al ., 2021)和平均与分配的锁相同步指数比和固定阈值的同步检测(佩里et al ., 2019;佩里et al ., 2020)的比例同步窗口通过自动阈值优化(开罗et al ., 2021)。
表1。检查CRC评估运动员中使用的方法。
然而,synchrogram分析并不占的交互的方向:相反,研究人员可能会感兴趣区分非线性相互作用是由于呼吸系统对心脏的影响从反向因果关系的方向,方向是发现相关(门et al ., 2013 a;Penzel et al ., 2016)。因此,有必要采用不同方法的CRC评估可以占一个振荡器的活动的时间优先。方法考虑交互提出了方向性的石片和拉森(石片和拉森,1997)计算呼吸事件之间的时间间隔分布(即。,inspiratory, or expiratory, onset) and the heartbeat immediately preceding, or following, the event itself. The normalized Shannon entropy of the distribution is taken as a measurement of directional coupling (i.e., from respiratory system to the heart and反之亦然)。开罗et al。(2020)提出的方法应用于业余运动员石片和拉森(石片和拉森,1997),发现降低心肺耦合引起的交感神经激活后主动站在因果关系的方向。值得注意的是,观察到的实体强度衰减依赖于培训(开罗et al ., 2020)。
CRC评估利用运动员的另一个方法是联合象征性分析应用于beat-to-beat可变性的惠普和呼吸(阿伯et al ., 2022 b)。具体地说,这两个beat-to-beat惠普和呼吸系列进行单独的每个系列的符号化过程和短模式进行分类根据其时间动力学(门et al ., 2001)。发生的联合计划的比例协调的惠普和呼吸模式可以描述CRC的强度在不同的时间尺度,不考虑他们的方向(门et al ., 2015)。此外,该方法能够占非线性动力学(Guzzetti et al ., 2005;门et al ., 2015)在心肺系统。
在光谱域平方之间的相干函数beat-to-beat可变性系列惠普和呼吸,可用于评估CRC。方相干函数被定义为平方惠普之间的交叉谱密度之间的比例和呼吸除以产品功率谱密度的两个系列(扫罗et al ., 1991)。平均平方一致性通常是在特定的频段。值得注意的是,低频率(低频,0.04 - -0.15赫兹)和高频在运动员根据应用程序:利用低频带在缺氧条件下利用男性选手(Uryumtsev et al ., 2020),高频频带的吸气肌训练在业余自行车(IMT)协议(德阿伯et al ., 2020)。最重要的该方法的缺点是它不能占颞方向性和非线性动力学。
因果方法利用格兰杰因果框架(格兰杰,1963;格兰杰,1980)已被应用于CRC评估区分奥林匹克运动员和普通人(Młyńczak Krysztofiak, 2019)。短暂,根据格兰杰因果框架变量是作为推定因果变量如果未来的预测模型基于过去的影响这两个变量的值是更有效的比模型完全基于过去值的影响变量。在(Młyńczak Krysztofiak, 2019),pairwise-conditional、光谱和扩展格兰杰因果关系(门和西班牙,2016年)被用来研究方向之间的联系beat-to-beat惠普和呼吸系列,或呼吸阶段系列。格兰杰因果关系的方法已经变成信息域,通过传递熵的概念,即信息的减少由目标(HP),超越过去的惠普的贡献值,当司机(呼吸)包含在模型中,(以下,2000;Barnett et al ., 2009)。格兰杰因果关系的措施,包括转让熵,可以占的混杂因素在模型中考虑额外的司机。转移熵的CRC评估应用于业余自行车发生直立性压力源(德阿伯et al ., 2020)。值得注意的是,在阿伯et al。(德阿伯et al ., 2020)SAP beat-to-beat系列被认为是一个混杂因素排除心脏压力影响心肺链接。
额外的多元方法论,采用CRC评估在一些研究(Balague et al ., 2016;Garcia-Retortillo et al ., 2017;Garcia-Retortillo et al ., 2019;Gultyaeva et al ., 2021)之间的主成分分析(PCA)是心血管时间序列(即。、惠普和动脉压)和呼吸参数(即。,过期的O2过期的有限公司2end-tidal氧气分压,end-tidal二氧化碳分压、通风)。PCA降维的一种统计技术(Daffertshofer et al ., 2004),经常用于与多个自由度耦合系统和复杂的动力学,它们组件的数量降至最低,而占绝大多数的信息包含在原始的多元数据集。的方法已经在各种各样的应用程序:测试有氧和阻力训练协议(Balague et al ., 2016)、极限运动试验(Garcia-Retortillo et al ., 2017)、高强度间歇训练和中等强度训练在极限运动测试(Garcia-Retortillo et al ., 2019在登山者),急性血碳酸过多症(Gultyaeva et al ., 2021)。
在运动医学CRC的措施
CRC不同运动员的力量与久坐的人相比,在休息和在压力刺激(阿伯et al ., 2022 a)。研究与休闲自行车,训练至少连续6个月,每周至少150分钟,显示更大的CRC强度在自主呼吸静止后,直立的压力(即。、积极的姿态机动),相比那些没有执行任何运动(阿伯et al ., 2022 b)。此外,研究发现增加迷走神经调制执导的窦房结评估通过光谱分析惠普可变性,尽管这一发现可能有争议的文学。可能的混杂因素可能导致误解的估计心脏迷走神经调制在考虑单变量措施,比如惠普的高频分量系列(Hayano璧,2019)。这些误解可能与惠普的任意限制乐队与监管的复杂性的滋补价值迷走神经活动的变化负责RSA (Hayano璧,2019)。因此,计算CRC通过考虑至少一种二元的方法,包括呼吸信号的记录可能会支持一个更真实的CRC的措施。除了大CRC力量,业余自行车呼吸速率也较低的值相比,久坐不动的人在休息和直立性压力,从而表明呼吸产生自发的一个重要影响调节心血管动力学,以及在压力刺激(阿伯et al ., 2022 a)。
CRC测量还可以识别自主应对不同形式的体育锻炼。一项研究评估运动员的CRC经历一个IMT协议确定的11周中等强度IMT可能有利于心脏自主控制由于慢性修改CRC (德阿伯et al ., 2020)。CRC的变化也有利于更好的积极姿态机动调整,无论心脏压力调节。虽然生理机制尚未完全阐明,假说表明,IMT能促进改变中央呼吸网络级通过重复激活肺和心房传入拉伸受体(德阿伯et al ., 2020;Eckberg 2009)。长期,IMT会影响心脏自主神经放电受呼吸中枢通过定期募捐的压力控制,从而有利于更有效的应对站(DeLucia et al ., 2018)。
在中距离赛跑选手,CRC标记被证明是重要的对于理解氧气供给的机制在激烈的体育活动,以及他们使用作为额外的资格水平的跑步者的预后(迹象Uryumtsev et al ., 2020)。CRC变化评价高,中度跑步者在暴露于10%的血氧过低的混合物2内容通过一个面罩。众所周知,急性血氧过低的风险敞口引起交感神经活动增加和sympatho-respiratory耦合,由于呼吸道和交感medullar神经元的同步激活(Zoccal 2015;林赛et al ., 2018)。在高级跑步者,血氧过低的接触反应伴随着减少耗氧量和CRC强度的增加。作者认为高级运动员有更好的集成的子系统来应对血氧过低的响应和调优的CRC可能扮演重要的角色和同步的节奏来节约能源,这就解释了耗氧量的减少(莫泽et al ., 2006)。因此,加强CRC一体化是一个适应调整心肺系统提供一个最佳的应对缺氧,尤其是运动员在高强度的有氧训练。
在铁人的运动员,CRC调查前后铁人事件以确定赛前压力的影响心脏和呼吸系统(Angelova et al ., 2021)。CRC收购期间执行认知任务(Stroop测试)来避免运动员认知控制呼吸频率。作者发现CRC值增加赛前赛后相比,表明应力的运动员在赛后恢复会话大于认知压力测试作为一个可能的影响迷走神经posr-exercise反弹的迹象。此外,CRC协调康复期间被发现是重要的一场激烈的努力,仍然活跃在认知任务(Angelova et al ., 2021)。
结论
CRC的兴趣调查及其适用性近年有所增加。目前的审查表明,CRC是宝贵的和非侵入性的工具为研究神经呼吸和心脏之间的交互活动在运动医学领域,尽管几个缺口仍然必须填满。似乎增加CRC的生理标志有氧体能训练,与运动员的资质等级,以及赛后的恢复能力和适应血氧过低的环境。此外,IMT等运动形式可能是一个选项来优化CRC在休息和生理压力的反应在骑自行车的人。尽管CRC加强与积极的生理影响,未来的研究应该调查CRC的影响通过体力活动对运动性能评估测试,以及不同训练方法对这些指标的影响。此外,体育专业人员应该意识到各种可能性的估计提供的CRC现代生物医学信号处理。
作者的贡献
RA和BC的构思和设计研究;起草的手稿;编辑和修改手稿;和批准的最终版本的手稿。美联社编辑和修改手稿;和批准的最终版本的手稿。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
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收到:2022年12月02;接受:2022年12月16日;
发表:2023年1月04。
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*通信:比阿特丽斯开罗,beatrice.cairo@unimi.it
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