癲癇發生、發展過程中常合并自主神經功能紊亂,心率變異性(Heart rate variability, HRV)是目前評價心血管自主神經功能經典的獨立指標。近年來,通過監測HRV以實現對癲癇發作的預測、監測已成為研究熱點。文章通過對癲癇患者HRV監測的研究進展進行綜述,了解HRV監測在癲癇患者中臨床診療中的應用價值。
引用本文: 王天祺, 周浩, 王藝. 癲癇患者心率變異性監測的研究進展. 癲癇雜志, 2017, 3(4): 320-324. doi: 10.7507/2096-0247.20170049 復制
癲癇是大腦皮層神經元異常同步化放電導致的腦功能紊亂綜合征。癲癇的患病率為7‰[1], 是世界衛生組織(WHO)推薦最常見的五大神經精神疾病之一,由于其疾病負擔重、致殘率高已被列為世界公共衛生問題,引起了廣泛關注。癲癇發生和發展不可預測,具有突發、突止的特點,癲癇發作常導致意外事件,甚至死亡[2]。因此,研究癲癇發生、發展的預測指標和研發預測、監測癲癇發作的儀器裝備是醫學界關注的熱點、也是難點問題之一。
既往大量的基礎和臨床研究顯示癲癇過程中常伴有自主神經功能紊亂。近年來,癲癇患者合并自主神經功能障礙引起了神經領域學者的廣泛關注,成為研究的熱點。目前,針對自主神經功能監測常用指標——心率變異性(Heart rate variability, HRV)在癲癇發病過程中作用的研究取得了一定的進展。本文對癲癇患者HRV監測的臨床應用進行綜述,以便了解HRV在癲癇病程中預測和監測的臨床應用價值。
1 癲癇發作與自主神經功能紊亂
自主神經功能紊亂是指由器質性或功能性原因引起的中樞自主神經或末梢自主神經功能障礙,產生全身或局部自主神經癥狀的一組疾病,在癲癇發病過程中常見,部分癲癇發作前常出現自主神經功能紊亂的先兆表現(嘔吐、心悸等)[3]。目前研究認為其機制是:癲癇放電通過影響中樞自主神經網絡(島葉和前額葉內側皮質、杏仁核、中央核及終紋床核、丘腦視前區及下丘腦、中腦導水管周圍灰質、腦橋臂旁核K?lliker-Fuse區、孤束核及延髓網狀結構)引起自主神經功能改變[4]。若癲癇放電源于中樞自主神經網絡或放電擴布至上述區域即出現發作性自主神經癥狀[5]。
臨床試驗發現電刺激癲癇患者島葉產生心臟變時性效應和血壓反應,副交感神經的心血管反應主要由左側島葉控制[6]。在動物實驗中也發現島葉是心血管調節的主要部位[7],長期直接電刺激大鼠島葉皮質可產生致死性心律失常和猝死[8]。癲癇發作引起的心臟功能障礙最常見,其次為呼吸系統癥狀,大量研究表明心肺自主神經功能障礙是癲癇猝死(Sudden unexpected death in epilepsy, SUDEP)的主要原因[9]。有研究表明延髓頭端腹外側區(Rostral ventrolateral medulla, RVLM)C1和非C1神經元末梢通過釋放兒茶酚胺維持交感神經血管舒縮和血壓[10]。Bhandare等[11]在動物中發現癲癇發作引起RVLM神經元末梢谷氨酸釋放增加,從而導致谷氨酸能受體的興奮,引起交感神經系統興奮,并且谷氨酸釋放的增加會導致神經元變性及炎癥反應,最終可能導致SUDEP的發生。
2 癲癇發作預測監測常用的自主神經功能紊亂指標
目前常用的評價自主神經功能的指標有:交感神經皮膚反應(Sympathetic skin response, SSR)、QT離散度(QT dispersion, QTd)、心率恢復(Heart rate recovery, HRR)、壓力反射敏感性(Baroreflex sensitivity, BRS)、RR間期(R-R interval variation, RRIV)、血壓變異性(Blood pres-sure variability, BPV)以及HRV(表 1)。

交感神經皮膚反應(Sympathetic skin response, SSR)波形的缺失、潛伏期的延長及波幅的降低是評定交感神經功能的指標;QTd評定主要反應交感神經對心臟的影響,癲癇患者的QTd會增高[19];BRS主要反映交感神經對瞬時血壓變化的敏感性,檢測時最常用藥物誘導的血壓變化[20];HRR反映的是運動后迷走神經對心率的調節[21];RRIV是評價休息時和深呼吸時迷走神經的功能[16];BPV的相對穩定反映了自主神經功能的平衡[17];HRV是指心臟節律變化(竇性心律不齊)的程度,反映竇房結自律性受自主神經調節的作用,取決于交感神經系統和副交感神經系統之間的平衡[22]。
通常一個好的臨床指標一般要滿足以下特點:① 操作簡單,無創;② 數據易于獲取,分析方便;③ 有較高的高靈敏度及特異度;④ 涵蓋性廣。目前HRV是無創性心血管自主神經功能評價指標,僅有BPV和HRV可以同時評價交感神經和副交感神經功能,與BPV相比,HRV是無創性心血管自主神經活性及其平衡的獨立評價指標。分析HRV方法包括線性分析法和非線性分析法,兩種分析方法聯用能更好地反映交感神經及副交感神經的功能狀態[23, 24]。
3 癲癇患者監測心率變異性的意義
自主神經功能紊亂貫穿癲癇發作的始終。近年來,研究發現癲癇患者HRV的研究主要集中在癲癇發作的預測、監測及SUDEP的風險評估方面。
3.1 預測癲癇發作
大部分癲癇發作可以通過藥物控制,但是仍有30%的難治性癲癇患者藥物控制效果不佳[25]。突然的癲癇發作及伴隨的意識喪失可能對患者自身及其周圍人造成嚴重傷害。若患者能得到癲癇發作預警,甚至采取終止癲癇發作的措施,則可提高患者安全性,明顯改善其生活質量。早在1999年Novak等[26]發現顳葉復雜部分性發作的癲癇患者在癲癇發作前會出現自主神經功能的改變。隨著HRV監測技術的不斷進展及對癲癇患者自主神經功能改變認識的深入,研究發現不同類型癲癇在發作前5~30 min的HRV頻域參數會發生顯著變化[27, 28]。隨著人們對癲癇發作前HRV認識的深入,應用HRV預測癲癇發作的試驗也在不斷進行(表 2)。

上述試驗充分證明癲癇發作前自主神經功能已經發生變化,可能的機制是交感神經活動(通過低頻反映)的增加和副交感神經活動(通過高頻反映)的下降。這些試驗充分說明了基于HRV預測癲癇發作的可行性。現在已經開發出了智能手環等監測HRV的可穿戴設備,可在移動設備上進行存儲,在智能平臺或終端上實現對癲癇發作的預測即將成為可能[34]。但是目前已進行的試驗樣本量均較少,仍需大量臨床試驗驗證。由于每個癲癇患者的HRV基線水平不同,對于癲癇發作預測算法適用性的改進仍面臨較大問題,仍需提高敏感度、降低假陽性率。此外,發作前期時間長短不一,也是HRV預測癲癇發作需要解決的難題。
3.2 監測癲癇發作
癲癇發作影響到中樞自主神經網絡時HRV會有明顯改變,目前臨床上應用HRV監測癲癇發作主要集中在新生兒癲癇,HRV也可與腦電圖(EEG)聯合監測癲癇發作,提高監測的準確度。
新生兒癲癇的發作癥狀往往不明顯,其發作需要有經驗的神經科醫生通過EEG來判斷,EEG采集及分析的復雜性限制了其在新生兒監護室的應用。Greene等[35]發現新生兒癲癇發作通常伴有心率和呼吸頻率的變化,隨后通過監測HRV探測新生兒癲癇發作的臨床試驗不斷開展。Malarvili等[36]通過改進算法,使單純基于HRV的新生兒癲癇監測算法達到85.7%的靈敏度和84.6%的特異性。將HRV與EEG聯合可明顯提高癲癇發作監測的準確性,并且使癲癇發作的自動化監測成為可能。Jeppesen等[37]通過對癲癇患者發作期及發作間期心電圖(ECG)和EEG進行同步記錄,進一步證實了HRV用作癲癇發作監測指標的可行性。之后研究記錄的17例患者共47次癲癇發作的EEG和ECG,發現由于大多數患者癲癇發作期間會有交感神經的過度激活,可以通過修改心臟交感指數提高對患者癲癇發作監測的敏感性[38]。Qaraqe等[39]使用融合EEG和HRV進行癲癇發作監測的新方法,使該探測器實現了100%的靈敏度及99.91%的特異性。
癲癇患者發作期和非發作期之間的HRV有明顯差異,單純應用HRV監測癲癇發作的精確度及靈敏度不如EEG,因此應該開發更有效的算法提高HRV監測癲癇發作的準確率。EEG-ECG聯合監測系統可以實現高靈敏度及特異度,HRV可以提供用于監測癲癇發作的附加信息,EEG和HRV分析的戰略組合可以幫助開發強大的聯合識別系統,為實現癲癇發作的自動化監測提供可能。
3.3 癲癇猝死風險評估
SUDEP是指癲癇患者的突發的、意外的、目擊或未知、非創傷性和非溺死性死亡,有或沒有癲癇發作的證據,排除記錄的癲癇持續狀態,并且尸檢沒有發現死亡的結構或毒理原因的死亡[40]。患者發生SUDEP的風險約為正常人群的20倍[41]。SUDEP的機制至今仍未明確,目前認為可能的機制有:心臟功能障礙、呼吸功能障礙、癲癇發作后腦電的廣泛抑制及自主神經功能紊亂等[42, 43]。自主神經功能紊亂與SUDEP的關系是近年來研究的熱點,目前認為受損的HRV不僅是由心律失常導致的癲癇患者心源性猝死的危險因素,而且是用于監測自主神經系統的進行性衰退的潛在生物標志物。
Nayak等[44]發現顳葉癲癇患者睡眠中的周圍-呼吸暫停/呼吸不足期間有HRV失調的存在。該研究中發現的結果與先前關于自主神經失調導致的睡眠期間呼吸暫停可能使顳葉癲癇患者易于發生SUDEP的機制研究結果相吻合[45]。Novak等[46]修訂的SUDEP風險清單-7中發現連續RR間期的均方根差(RR interval mean square error, RMSSD)與SUDEP風險呈負相關,RMSSD是迷走神經介導的HRV和心臟自主調節的度量。由RMSSD測量的HRV的降低與心房顫動、心血管疾病和心力衰竭患者的不良結果相關[22]。Sivakumar等[47]將癲癇患兒的ECG與正常兒童對比發現,癲癇患兒的HRV普遍降低,難治性癲癇患兒HRV的下降較藥物可控制癲癇患兒更明顯[32],提示難治性癲癇患兒的自主神經功能受損更嚴重,且難治性癲癇患者SUDEP的風險為1.1‰~5.9‰,較正常人群及控制良好的癲癇患者明顯增高,由此推測HRV降低是SUDEP的危險因素。卡馬西平能抑制癲癇患者的自主神經功能,使用其治療的癲癇患者的HRV明顯降低、自主神經功能紊亂更明顯、發生SUDEP的危險明顯增高[48],進一步證實HRV的降低是SUDEP的危險因素。
癲癇發作期間HRV的降低反應了自主神經功能的紊亂,可能會導致癲癇發作期及發作后的心血管和呼吸系統調節途徑的急性失衡,從而導致SUDEP[49]。研究證實,通過減輕心理壓力、合理運動、調整飲食可以明顯改善HRV,降低SUDEP風險[50]。
4 小結與展望
癲癇發作常伴隨自主神經功能紊亂,HRV在評價自主神經功能方面具有無創性、獨立性及簡便易分析等優點,是目前評價自主神經功能的主要指標。監測癲癇患者的HRV可實現對癲癇發作的預測及監測,并且HRV的降低是SUDEP的危險因素。但是單純基于HRV的癲癇發作預測及監測系統的靈敏度和準確度均較低,仍需改良出更精確的算法。EEG-ECG結合的癲癇發作監測系統將大大提高癲癇監測的靈敏度和準確度,有望實現癲癇發作的自動化監測。HRV降低是SUDEP的危險因素之一,監測HRV可以早期發現SUDEP的高危人群,早期預防,降低其風險。HRV的監測對癲癇患者自主神經功能的評價具有重要意義,仍需進行大量臨床試驗以提高HRV監測在癲癇患者中的適用性。目前關于癲癇患者HRV監測的研究主要集中在成人,兒童患者約占所有癲癇患者的2/3,因此,在兒科領域開展HRV的研究具有重要意義。我們相信隨著HRV算法的改進及更多可穿戴設備的開發,監測癲癇患者的HRV將大大推動癲癇防治事業的發展。
癲癇是大腦皮層神經元異常同步化放電導致的腦功能紊亂綜合征。癲癇的患病率為7‰[1], 是世界衛生組織(WHO)推薦最常見的五大神經精神疾病之一,由于其疾病負擔重、致殘率高已被列為世界公共衛生問題,引起了廣泛關注。癲癇發生和發展不可預測,具有突發、突止的特點,癲癇發作常導致意外事件,甚至死亡[2]。因此,研究癲癇發生、發展的預測指標和研發預測、監測癲癇發作的儀器裝備是醫學界關注的熱點、也是難點問題之一。
既往大量的基礎和臨床研究顯示癲癇過程中常伴有自主神經功能紊亂。近年來,癲癇患者合并自主神經功能障礙引起了神經領域學者的廣泛關注,成為研究的熱點。目前,針對自主神經功能監測常用指標——心率變異性(Heart rate variability, HRV)在癲癇發病過程中作用的研究取得了一定的進展。本文對癲癇患者HRV監測的臨床應用進行綜述,以便了解HRV在癲癇病程中預測和監測的臨床應用價值。
1 癲癇發作與自主神經功能紊亂
自主神經功能紊亂是指由器質性或功能性原因引起的中樞自主神經或末梢自主神經功能障礙,產生全身或局部自主神經癥狀的一組疾病,在癲癇發病過程中常見,部分癲癇發作前常出現自主神經功能紊亂的先兆表現(嘔吐、心悸等)[3]。目前研究認為其機制是:癲癇放電通過影響中樞自主神經網絡(島葉和前額葉內側皮質、杏仁核、中央核及終紋床核、丘腦視前區及下丘腦、中腦導水管周圍灰質、腦橋臂旁核K?lliker-Fuse區、孤束核及延髓網狀結構)引起自主神經功能改變[4]。若癲癇放電源于中樞自主神經網絡或放電擴布至上述區域即出現發作性自主神經癥狀[5]。
臨床試驗發現電刺激癲癇患者島葉產生心臟變時性效應和血壓反應,副交感神經的心血管反應主要由左側島葉控制[6]。在動物實驗中也發現島葉是心血管調節的主要部位[7],長期直接電刺激大鼠島葉皮質可產生致死性心律失常和猝死[8]。癲癇發作引起的心臟功能障礙最常見,其次為呼吸系統癥狀,大量研究表明心肺自主神經功能障礙是癲癇猝死(Sudden unexpected death in epilepsy, SUDEP)的主要原因[9]。有研究表明延髓頭端腹外側區(Rostral ventrolateral medulla, RVLM)C1和非C1神經元末梢通過釋放兒茶酚胺維持交感神經血管舒縮和血壓[10]。Bhandare等[11]在動物中發現癲癇發作引起RVLM神經元末梢谷氨酸釋放增加,從而導致谷氨酸能受體的興奮,引起交感神經系統興奮,并且谷氨酸釋放的增加會導致神經元變性及炎癥反應,最終可能導致SUDEP的發生。
2 癲癇發作預測監測常用的自主神經功能紊亂指標
目前常用的評價自主神經功能的指標有:交感神經皮膚反應(Sympathetic skin response, SSR)、QT離散度(QT dispersion, QTd)、心率恢復(Heart rate recovery, HRR)、壓力反射敏感性(Baroreflex sensitivity, BRS)、RR間期(R-R interval variation, RRIV)、血壓變異性(Blood pres-sure variability, BPV)以及HRV(表 1)。

交感神經皮膚反應(Sympathetic skin response, SSR)波形的缺失、潛伏期的延長及波幅的降低是評定交感神經功能的指標;QTd評定主要反應交感神經對心臟的影響,癲癇患者的QTd會增高[19];BRS主要反映交感神經對瞬時血壓變化的敏感性,檢測時最常用藥物誘導的血壓變化[20];HRR反映的是運動后迷走神經對心率的調節[21];RRIV是評價休息時和深呼吸時迷走神經的功能[16];BPV的相對穩定反映了自主神經功能的平衡[17];HRV是指心臟節律變化(竇性心律不齊)的程度,反映竇房結自律性受自主神經調節的作用,取決于交感神經系統和副交感神經系統之間的平衡[22]。
通常一個好的臨床指標一般要滿足以下特點:① 操作簡單,無創;② 數據易于獲取,分析方便;③ 有較高的高靈敏度及特異度;④ 涵蓋性廣。目前HRV是無創性心血管自主神經功能評價指標,僅有BPV和HRV可以同時評價交感神經和副交感神經功能,與BPV相比,HRV是無創性心血管自主神經活性及其平衡的獨立評價指標。分析HRV方法包括線性分析法和非線性分析法,兩種分析方法聯用能更好地反映交感神經及副交感神經的功能狀態[23, 24]。
3 癲癇患者監測心率變異性的意義
自主神經功能紊亂貫穿癲癇發作的始終。近年來,研究發現癲癇患者HRV的研究主要集中在癲癇發作的預測、監測及SUDEP的風險評估方面。
3.1 預測癲癇發作
大部分癲癇發作可以通過藥物控制,但是仍有30%的難治性癲癇患者藥物控制效果不佳[25]。突然的癲癇發作及伴隨的意識喪失可能對患者自身及其周圍人造成嚴重傷害。若患者能得到癲癇發作預警,甚至采取終止癲癇發作的措施,則可提高患者安全性,明顯改善其生活質量。早在1999年Novak等[26]發現顳葉復雜部分性發作的癲癇患者在癲癇發作前會出現自主神經功能的改變。隨著HRV監測技術的不斷進展及對癲癇患者自主神經功能改變認識的深入,研究發現不同類型癲癇在發作前5~30 min的HRV頻域參數會發生顯著變化[27, 28]。隨著人們對癲癇發作前HRV認識的深入,應用HRV預測癲癇發作的試驗也在不斷進行(表 2)。

上述試驗充分證明癲癇發作前自主神經功能已經發生變化,可能的機制是交感神經活動(通過低頻反映)的增加和副交感神經活動(通過高頻反映)的下降。這些試驗充分說明了基于HRV預測癲癇發作的可行性。現在已經開發出了智能手環等監測HRV的可穿戴設備,可在移動設備上進行存儲,在智能平臺或終端上實現對癲癇發作的預測即將成為可能[34]。但是目前已進行的試驗樣本量均較少,仍需大量臨床試驗驗證。由于每個癲癇患者的HRV基線水平不同,對于癲癇發作預測算法適用性的改進仍面臨較大問題,仍需提高敏感度、降低假陽性率。此外,發作前期時間長短不一,也是HRV預測癲癇發作需要解決的難題。
3.2 監測癲癇發作
癲癇發作影響到中樞自主神經網絡時HRV會有明顯改變,目前臨床上應用HRV監測癲癇發作主要集中在新生兒癲癇,HRV也可與腦電圖(EEG)聯合監測癲癇發作,提高監測的準確度。
新生兒癲癇的發作癥狀往往不明顯,其發作需要有經驗的神經科醫生通過EEG來判斷,EEG采集及分析的復雜性限制了其在新生兒監護室的應用。Greene等[35]發現新生兒癲癇發作通常伴有心率和呼吸頻率的變化,隨后通過監測HRV探測新生兒癲癇發作的臨床試驗不斷開展。Malarvili等[36]通過改進算法,使單純基于HRV的新生兒癲癇監測算法達到85.7%的靈敏度和84.6%的特異性。將HRV與EEG聯合可明顯提高癲癇發作監測的準確性,并且使癲癇發作的自動化監測成為可能。Jeppesen等[37]通過對癲癇患者發作期及發作間期心電圖(ECG)和EEG進行同步記錄,進一步證實了HRV用作癲癇發作監測指標的可行性。之后研究記錄的17例患者共47次癲癇發作的EEG和ECG,發現由于大多數患者癲癇發作期間會有交感神經的過度激活,可以通過修改心臟交感指數提高對患者癲癇發作監測的敏感性[38]。Qaraqe等[39]使用融合EEG和HRV進行癲癇發作監測的新方法,使該探測器實現了100%的靈敏度及99.91%的特異性。
癲癇患者發作期和非發作期之間的HRV有明顯差異,單純應用HRV監測癲癇發作的精確度及靈敏度不如EEG,因此應該開發更有效的算法提高HRV監測癲癇發作的準確率。EEG-ECG聯合監測系統可以實現高靈敏度及特異度,HRV可以提供用于監測癲癇發作的附加信息,EEG和HRV分析的戰略組合可以幫助開發強大的聯合識別系統,為實現癲癇發作的自動化監測提供可能。
3.3 癲癇猝死風險評估
SUDEP是指癲癇患者的突發的、意外的、目擊或未知、非創傷性和非溺死性死亡,有或沒有癲癇發作的證據,排除記錄的癲癇持續狀態,并且尸檢沒有發現死亡的結構或毒理原因的死亡[40]。患者發生SUDEP的風險約為正常人群的20倍[41]。SUDEP的機制至今仍未明確,目前認為可能的機制有:心臟功能障礙、呼吸功能障礙、癲癇發作后腦電的廣泛抑制及自主神經功能紊亂等[42, 43]。自主神經功能紊亂與SUDEP的關系是近年來研究的熱點,目前認為受損的HRV不僅是由心律失常導致的癲癇患者心源性猝死的危險因素,而且是用于監測自主神經系統的進行性衰退的潛在生物標志物。
Nayak等[44]發現顳葉癲癇患者睡眠中的周圍-呼吸暫停/呼吸不足期間有HRV失調的存在。該研究中發現的結果與先前關于自主神經失調導致的睡眠期間呼吸暫停可能使顳葉癲癇患者易于發生SUDEP的機制研究結果相吻合[45]。Novak等[46]修訂的SUDEP風險清單-7中發現連續RR間期的均方根差(RR interval mean square error, RMSSD)與SUDEP風險呈負相關,RMSSD是迷走神經介導的HRV和心臟自主調節的度量。由RMSSD測量的HRV的降低與心房顫動、心血管疾病和心力衰竭患者的不良結果相關[22]。Sivakumar等[47]將癲癇患兒的ECG與正常兒童對比發現,癲癇患兒的HRV普遍降低,難治性癲癇患兒HRV的下降較藥物可控制癲癇患兒更明顯[32],提示難治性癲癇患兒的自主神經功能受損更嚴重,且難治性癲癇患者SUDEP的風險為1.1‰~5.9‰,較正常人群及控制良好的癲癇患者明顯增高,由此推測HRV降低是SUDEP的危險因素。卡馬西平能抑制癲癇患者的自主神經功能,使用其治療的癲癇患者的HRV明顯降低、自主神經功能紊亂更明顯、發生SUDEP的危險明顯增高[48],進一步證實HRV的降低是SUDEP的危險因素。
癲癇發作期間HRV的降低反應了自主神經功能的紊亂,可能會導致癲癇發作期及發作后的心血管和呼吸系統調節途徑的急性失衡,從而導致SUDEP[49]。研究證實,通過減輕心理壓力、合理運動、調整飲食可以明顯改善HRV,降低SUDEP風險[50]。
4 小結與展望
癲癇發作常伴隨自主神經功能紊亂,HRV在評價自主神經功能方面具有無創性、獨立性及簡便易分析等優點,是目前評價自主神經功能的主要指標。監測癲癇患者的HRV可實現對癲癇發作的預測及監測,并且HRV的降低是SUDEP的危險因素。但是單純基于HRV的癲癇發作預測及監測系統的靈敏度和準確度均較低,仍需改良出更精確的算法。EEG-ECG結合的癲癇發作監測系統將大大提高癲癇監測的靈敏度和準確度,有望實現癲癇發作的自動化監測。HRV降低是SUDEP的危險因素之一,監測HRV可以早期發現SUDEP的高危人群,早期預防,降低其風險。HRV的監測對癲癇患者自主神經功能的評價具有重要意義,仍需進行大量臨床試驗以提高HRV監測在癲癇患者中的適用性。目前關于癲癇患者HRV監測的研究主要集中在成人,兒童患者約占所有癲癇患者的2/3,因此,在兒科領域開展HRV的研究具有重要意義。我們相信隨著HRV算法的改進及更多可穿戴設備的開發,監測癲癇患者的HRV將大大推動癲癇防治事業的發展。