本研究旨在探討辣椒素疼痛模型建立的可行性和心率變異性(HRV)分析用于疼痛評價的可能性, 并對辣椒素致痛過程中志愿者的自主神經活動性的變化進行研究。本研究對30名健康志愿者進行辣椒素刺激, 記錄刺激后的視覺模擬量表(VAS)評分及其刺激前后的心電信號及HRV分析指標, 包括時域分析指標、頻域分析指標、非線性分析指標。實驗結果表明辣椒素導致人體疼痛的過程中, 志愿者的自主神經活性升高, 其中交感神經活性升高明顯, 在HRV上有明顯變化。由此可見, 辣椒素疼痛模型的建立是可行的。在進一步的實驗中HRV分析有望作為定量評價疼痛的參考指標之一。
引用本文： 付慶彪, 劉春林, 張方, 房懌, 申岱, 張健. 心率變異性分析評價疼痛對自主神經活動的影響. 生物醫學工程學雜志, 2015, 32(6): 1223-1226. doi: 10.7507/1001-5515.20150217 復制
0 引言
口腔頜面部疼痛包括面部疼痛和來源于口腔軟硬組織的疼痛，常見有炎性疼痛[1]、創傷性疼痛、關節疼痛、神經性疼痛、癌性疼痛、心因性疼痛及醫源性疼痛等，對患者日常生活的各個方面產生不良影響[2]。目前，對于頜面疼痛的客觀評估分析較少，疼痛的評估多依賴于患者的主訴[3]，是一種主觀的個人感受[4]，受眾多因素影響，不容易測量。因此本實驗希望在實驗性人體疼痛模型中，通過控制疼痛的性質、強度、頻率、持續時間等因素，來對一些精神軀體的行為和神經生理反應進行定量測量。辣椒素疼痛模型作為實驗模型，是一種常用的化學刺激類疼痛模型，在很多文獻中都有提及[5-6]。辣椒素所引起的傷害性刺激會引起不同程度的血流動力學改變以及自主神經活動性的改變[7]。心率變異性(heart rate variability, HRV)分析是目前研究自主神經功能的一種較好的無創手段[8]，因此本實驗采用HRV分析來定量評價辣椒素疼痛模型中自主神經活動的變化。
1 資料與方法
1.1 一般資料
本研究經天津醫科大學口腔醫院倫理委員會批準(TMUSHhMEC2014010)，并與志愿者簽署知情同意書。選取天津醫科大學口腔醫學院2007、2008、2009級健康學生志愿者共30名，其中，男15名，女15名；年齡22~27(23.9±1.37)歲。納入標準：所有志愿者均無心臟病、高血壓、糖尿病等系統疾病史；無神經系統疾病以及心理疾病；既往無辣椒或辣椒素過敏史。排除標準：志愿者如特別能吃辛辣食物如湖南、四川等籍貫人士或基本不能吃辛辣食物者將被排除在外。
1.2 實驗方法
1.2.1
選擇標準肢體Ⅱ導聯，以酒精棉球脫去志愿者胸前貼電極處的皮膚油脂，保證接觸良好，3M(Canada Company)電極涂耦合劑貼在志愿者體表，采用Powerlab ML870心電信號采集系統全程采集志愿者的心電(electrocardiogram, ECG)信號。
1.2.2
囑志愿者去枕平臥，平靜20 min，即平靜狀態(T0)。
1.2.3
用浸有0.5 mL辣椒素溶液(30%酒精溶液配制成0.1%的辣椒素，辣椒素由Sigma公司生產)的棉質片覆蓋在志愿者下唇唇紅位置，囑其抿住嘴唇，繼續觀察20 min，即辣椒素刺激狀態(T1)。
1.2.4
記錄涂抹辣椒素后志愿者視覺模擬量表(Visual Analogue Scale, VAS)評分。本研究采用0~100 mm VAS[9]評分標準，評價涂抹辣椒素后志愿者的疼痛情況，0表示無痛，100 mm表示無法忍受痛。VAS值≤30 mm為輕度疼痛，VAS值≥70 mm為重度疼痛，VAS值介于31~69 mm為中度疼痛[10]。
1.2.5
使用Matlab R2006a編程應用軟件處理所采集到的ECG信號，剔除異位搏動和偽差，對ECG信號提取得到RR間期序列，在RR間期序列中分別選取T0期、T1期較穩定的一段信號，長度各5 min，用來分析志愿者不同狀態下的HRV指標。比較兩組指標的差異性，并對結果進行統計學分析。
1.3 檢測指標
本實驗需要采集的指標包括：ECG信號、時域分析指標、頻域分析指標、非線性分析指標。時域分析指標包括：所有竇性RR間期的標準差(SDNN)、所有相鄰竇性RR間期長度差異的均方根(RMSSD)、所有相鄰竇性RR間期差值超過50 ms的心搏數所占百分比(PNN50)、RR間期的總個數除以RR間期直方圖的高度即三角指數；頻域分析指標包括：總功率(TP)、低頻功率(LF)、高頻功率(HF)、低頻功率/高頻功率(LF/HF)、標準化的低頻功率(LFn)、標準化的高頻功率(HFn)；非線性分析指標包括：散點圖的短軸(SD1)、散點圖的長軸(SD2)。
1.4 統計分析
所有數據均輸入SPSS 13.0軟件處理, 計量資料以
2 結果
2.1 VAS評分結果
根據VAS評分卡尺讀數，最終VAS評分為(63.36±11.21) mm，最大值為87 mm，最小值為45 mm。總體可評價為中度疼痛。
2.2 血流動力學分析結果
根據ECG信號可以得到志愿者的心率(heart rate, HR)。T0時期HR為(71±9.91)次/分；T1時期HR為(74.33±11.13)次/分。通過配對t檢驗得到P=0.121＞0.05，差異無統計學意義。
2.3 時域分析結果
HRV的時域分析各項指標的值見表 1，組內前后比較采用配對t檢驗，SDNN和三角指數在T1時期較T0時期均明顯升高，RMSSD和PNN50沒有明顯變化。
表1
時域分析結果
Table1.
Results of time domain analysis
2.4 頻域分析結果
頻域分析數值較大且較離散，故使用常數對數轉換。表 2中組內前后比較采用配對t檢驗，TP、LF、LF/HF以及LFn在T1時期較T0時期均明顯升高，HFn在T1時期較T0時期明顯降低，HF沒有明顯變化。
表2
頻域分析結果
Table2.
Results of frequency domain analysis
2.5 非線性分析結果
圖 1所示為辣椒素刺激前后RR間期Poincaré散點圖。表 3中SD1和SD2的組內前后比較采用配對t檢驗，SD2在T1時期較T0時期明顯升高，SD1沒有明顯變化。
圖1
RR間期Poincaré散點圖
Figure1.
Poincaréscatter diagram of RR interval
表3
非線性分析結果
Table3.
Results of nonlinear analysis
3 討論
疼痛與自主神經系統的活動有著密不可分的關系[11]。近年來研究發現，交感神經阻滯可以明顯減輕灼性神經痛和反射性交感神經營養不良患者的疼痛和痛覺過敏癥狀[12]，證明交感神經興奮與否與疼痛輕重程度有密切的關系。HRV是指連續心搏間瞬時HR的微小漲落，是自主神經作用的結果，能反映中樞及自主神經系統對心臟節律的調節，可以客觀地評價交感神經和迷走神經的活動性。
本研究中，VAS評分最大值為87 mm，最低值為45 mm，平均值為63.36 mm，說明志愿者主觀感受的疼痛級別平均可達中等疼痛，也證明了辣椒素致痛模型是可行的。HR在T1期比在T0期有所升高，這是由于辣椒素作為疼痛刺激引起了交感神經活動性增強；但是T0期與T1期HR的差異沒有統計學意義，說明常規的血流動力學指標對本實驗模型的疼痛刺激不敏感。
時域分析結果中，SDNN和三角指數主要反映HRV整體活動性的變化，是HRV中的慢變化成分[13]；而RMSSD、PNN50主要反映迷走神經的活動性，是對HRV中快變化成分的反映[14]。SDNN和三角指數在T1期較T0期均有明顯增高，且差異具有統計學意義，反映了辣椒素所致的疼痛刺激導致自主神經整體的活動性增強。RMSSD、PNN50在T1期較T0期雖有所增高，但是差異不具有統計學意義，反映了迷走神經隨交感神經的協調性增高。
頻域分析結果中，總功率TP代表的是時間段內HRV的總和，反映了自主神經整體的活動性；高頻功率HF反映了迷走神經的功能水平；低頻功率LF是交感神經和迷走神經共同作用的一個混合帶，更多的是反映交感神經隨總功輸出變化而產生的調節變化；LF/HF反映的是交感神經和迷走神經的平衡狀態，升高代表交感神經活躍，下降則表示交感與迷走神經處于不平衡狀態[15]；HFn和LFn則反映了交感、迷走神經的相對值，直觀反映了交感、迷走神經的調節作用[16]。在本研究中，TP、LF、LF/HF和LFn四項指標在T1期較T0期都有增高，HFn在T1期較T0期有所降低，且差異都具有統計學意義，而HF則沒有明顯變化。結果顯示在辣椒素的疼痛刺激下，自主神經整體的活動性增強。而LF/HF的增高說明辣椒素疼痛刺激引起了交感神經和迷走神經平衡性的改變，在交感神經和迷走神經活動性都增加的同時，交感神經的活動性增加幅度較大，反映了交感神經活動性對辣椒素疼痛刺激應激的敏感性。
HRV非線性分析指標能定量反映RR時間間隔的結構性和復雜性。本研究采用的是散點圖分析方法中的橢圓填充法。SD1反映了相鄰RR間期的差異，是對HRV中快變化成分的表達，主要反映迷走神經的活動；而SD2是對HRV中慢變化成分的表達，反映整體自主神經功能的變化情況[17]。本研究中SD2在T1期較T0期有明顯增高，且差異具有統計學意義，也反映了辣椒素所致的疼痛刺激導致自主神經整體的活動性增強。SD1的變化沒有統計學意義，同樣證實了辣椒素的疼痛刺激對迷走神經活動性的影響較小。
綜上所述，辣椒素刺激所致的實驗性疼痛會導致自主神經整體的活動性增高，其中交感神經活動性的增高占優勢。辣椒素刺激所致疼痛引起的應激反應可以在HRV分析中表現出來，因此可以把辣椒素疼痛模型作為研究人體口腔頜面痛的實驗模型。同時，在進一步的實驗中，可以考慮把HRV分析作為定量評價疼痛的參考指標之一。
0 引言
口腔頜面部疼痛包括面部疼痛和來源于口腔軟硬組織的疼痛，常見有炎性疼痛[1]、創傷性疼痛、關節疼痛、神經性疼痛、癌性疼痛、心因性疼痛及醫源性疼痛等，對患者日常生活的各個方面產生不良影響[2]。目前，對于頜面疼痛的客觀評估分析較少，疼痛的評估多依賴于患者的主訴[3]，是一種主觀的個人感受[4]，受眾多因素影響，不容易測量。因此本實驗希望在實驗性人體疼痛模型中，通過控制疼痛的性質、強度、頻率、持續時間等因素，來對一些精神軀體的行為和神經生理反應進行定量測量。辣椒素疼痛模型作為實驗模型，是一種常用的化學刺激類疼痛模型，在很多文獻中都有提及[5-6]。辣椒素所引起的傷害性刺激會引起不同程度的血流動力學改變以及自主神經活動性的改變[7]。心率變異性(heart rate variability, HRV)分析是目前研究自主神經功能的一種較好的無創手段[8]，因此本實驗采用HRV分析來定量評價辣椒素疼痛模型中自主神經活動的變化。
1 資料與方法
1.1 一般資料
本研究經天津醫科大學口腔醫院倫理委員會批準(TMUSHhMEC2014010)，并與志愿者簽署知情同意書。選取天津醫科大學口腔醫學院2007、2008、2009級健康學生志愿者共30名，其中，男15名，女15名；年齡22~27(23.9±1.37)歲。納入標準：所有志愿者均無心臟病、高血壓、糖尿病等系統疾病史；無神經系統疾病以及心理疾病；既往無辣椒或辣椒素過敏史。排除標準：志愿者如特別能吃辛辣食物如湖南、四川等籍貫人士或基本不能吃辛辣食物者將被排除在外。
1.2 實驗方法
1.2.1
選擇標準肢體Ⅱ導聯，以酒精棉球脫去志愿者胸前貼電極處的皮膚油脂，保證接觸良好，3M(Canada Company)電極涂耦合劑貼在志愿者體表，采用Powerlab ML870心電信號采集系統全程采集志愿者的心電(electrocardiogram, ECG)信號。
1.2.2
囑志愿者去枕平臥，平靜20 min，即平靜狀態(T0)。
1.2.3
用浸有0.5 mL辣椒素溶液(30%酒精溶液配制成0.1%的辣椒素，辣椒素由Sigma公司生產)的棉質片覆蓋在志愿者下唇唇紅位置，囑其抿住嘴唇，繼續觀察20 min，即辣椒素刺激狀態(T1)。
1.2.4
記錄涂抹辣椒素后志愿者視覺模擬量表(Visual Analogue Scale, VAS)評分。本研究采用0~100 mm VAS[9]評分標準，評價涂抹辣椒素后志愿者的疼痛情況，0表示無痛，100 mm表示無法忍受痛。VAS值≤30 mm為輕度疼痛，VAS值≥70 mm為重度疼痛，VAS值介于31~69 mm為中度疼痛[10]。
1.2.5
使用Matlab R2006a編程應用軟件處理所采集到的ECG信號，剔除異位搏動和偽差，對ECG信號提取得到RR間期序列，在RR間期序列中分別選取T0期、T1期較穩定的一段信號，長度各5 min，用來分析志愿者不同狀態下的HRV指標。比較兩組指標的差異性，并對結果進行統計學分析。
1.3 檢測指標
本實驗需要采集的指標包括：ECG信號、時域分析指標、頻域分析指標、非線性分析指標。時域分析指標包括：所有竇性RR間期的標準差(SDNN)、所有相鄰竇性RR間期長度差異的均方根(RMSSD)、所有相鄰竇性RR間期差值超過50 ms的心搏數所占百分比(PNN50)、RR間期的總個數除以RR間期直方圖的高度即三角指數；頻域分析指標包括：總功率(TP)、低頻功率(LF)、高頻功率(HF)、低頻功率/高頻功率(LF/HF)、標準化的低頻功率(LFn)、標準化的高頻功率(HFn)；非線性分析指標包括：散點圖的短軸(SD1)、散點圖的長軸(SD2)。
1.4 統計分析
所有數據均輸入SPSS 13.0軟件處理, 計量資料以
2 結果
2.1 VAS評分結果
根據VAS評分卡尺讀數，最終VAS評分為(63.36±11.21) mm，最大值為87 mm，最小值為45 mm。總體可評價為中度疼痛。
2.2 血流動力學分析結果
根據ECG信號可以得到志愿者的心率(heart rate, HR)。T0時期HR為(71±9.91)次/分；T1時期HR為(74.33±11.13)次/分。通過配對t檢驗得到P=0.121＞0.05，差異無統計學意義。
2.3 時域分析結果
HRV的時域分析各項指標的值見表 1，組內前后比較采用配對t檢驗，SDNN和三角指數在T1時期較T0時期均明顯升高，RMSSD和PNN50沒有明顯變化。
表1
時域分析結果
Table1.
Results of time domain analysis
2.4 頻域分析結果
頻域分析數值較大且較離散，故使用常數對數轉換。表 2中組內前后比較采用配對t檢驗，TP、LF、LF/HF以及LFn在T1時期較T0時期均明顯升高，HFn在T1時期較T0時期明顯降低，HF沒有明顯變化。
表2
頻域分析結果
Table2.
Results of frequency domain analysis
2.5 非線性分析結果
圖 1所示為辣椒素刺激前后RR間期Poincaré散點圖。表 3中SD1和SD2的組內前后比較采用配對t檢驗，SD2在T1時期較T0時期明顯升高，SD1沒有明顯變化。
圖1
RR間期Poincaré散點圖
Figure1.
Poincaréscatter diagram of RR interval
表3
非線性分析結果
Table3.
Results of nonlinear analysis
3 討論
疼痛與自主神經系統的活動有著密不可分的關系[11]。近年來研究發現，交感神經阻滯可以明顯減輕灼性神經痛和反射性交感神經營養不良患者的疼痛和痛覺過敏癥狀[12]，證明交感神經興奮與否與疼痛輕重程度有密切的關系。HRV是指連續心搏間瞬時HR的微小漲落，是自主神經作用的結果，能反映中樞及自主神經系統對心臟節律的調節，可以客觀地評價交感神經和迷走神經的活動性。
本研究中，VAS評分最大值為87 mm，最低值為45 mm，平均值為63.36 mm，說明志愿者主觀感受的疼痛級別平均可達中等疼痛，也證明了辣椒素致痛模型是可行的。HR在T1期比在T0期有所升高，這是由于辣椒素作為疼痛刺激引起了交感神經活動性增強；但是T0期與T1期HR的差異沒有統計學意義，說明常規的血流動力學指標對本實驗模型的疼痛刺激不敏感。
時域分析結果中，SDNN和三角指數主要反映HRV整體活動性的變化，是HRV中的慢變化成分[13]；而RMSSD、PNN50主要反映迷走神經的活動性，是對HRV中快變化成分的反映[14]。SDNN和三角指數在T1期較T0期均有明顯增高，且差異具有統計學意義，反映了辣椒素所致的疼痛刺激導致自主神經整體的活動性增強。RMSSD、PNN50在T1期較T0期雖有所增高，但是差異不具有統計學意義，反映了迷走神經隨交感神經的協調性增高。
頻域分析結果中，總功率TP代表的是時間段內HRV的總和，反映了自主神經整體的活動性；高頻功率HF反映了迷走神經的功能水平；低頻功率LF是交感神經和迷走神經共同作用的一個混合帶，更多的是反映交感神經隨總功輸出變化而產生的調節變化；LF/HF反映的是交感神經和迷走神經的平衡狀態，升高代表交感神經活躍，下降則表示交感與迷走神經處于不平衡狀態[15]；HFn和LFn則反映了交感、迷走神經的相對值，直觀反映了交感、迷走神經的調節作用[16]。在本研究中，TP、LF、LF/HF和LFn四項指標在T1期較T0期都有增高，HFn在T1期較T0期有所降低，且差異都具有統計學意義，而HF則沒有明顯變化。結果顯示在辣椒素的疼痛刺激下，自主神經整體的活動性增強。而LF/HF的增高說明辣椒素疼痛刺激引起了交感神經和迷走神經平衡性的改變，在交感神經和迷走神經活動性都增加的同時，交感神經的活動性增加幅度較大，反映了交感神經活動性對辣椒素疼痛刺激應激的敏感性。
HRV非線性分析指標能定量反映RR時間間隔的結構性和復雜性。本研究采用的是散點圖分析方法中的橢圓填充法。SD1反映了相鄰RR間期的差異，是對HRV中快變化成分的表達，主要反映迷走神經的活動；而SD2是對HRV中慢變化成分的表達，反映整體自主神經功能的變化情況[17]。本研究中SD2在T1期較T0期有明顯增高，且差異具有統計學意義，也反映了辣椒素所致的疼痛刺激導致自主神經整體的活動性增強。SD1的變化沒有統計學意義，同樣證實了辣椒素的疼痛刺激對迷走神經活動性的影響較小。
綜上所述，辣椒素刺激所致的實驗性疼痛會導致自主神經整體的活動性增高，其中交感神經活動性的增高占優勢。辣椒素刺激所致疼痛引起的應激反應可以在HRV分析中表現出來，因此可以把辣椒素疼痛模型作為研究人體口腔頜面痛的實驗模型。同時，在進一步的實驗中，可以考慮把HRV分析作為定量評價疼痛的參考指標之一。
