本研究旨在探讨辣椒素疼痛模型建立的可行性和心率变异性(HRV)分析用于疼痛评价的可能性, 并对辣椒素致痛过程中志愿者的自主神经活动性的变化进行研究。本研究对30名健康志愿者进行辣椒素刺激, 记录刺激后的视觉模拟量表(VAS)评分及其刺激前后的心电信号及HRV分析指标, 包括时域分析指标、频域分析指标、非线性分析指标。实验结果表明辣椒素导致人体疼痛的过程中, 志愿者的自主神经活性升高, 其中交感神经活性升高明显, 在HRV上有明显变化。由此可见, 辣椒素疼痛模型的建立是可行的。在进一步的实验中HRV分析有望作为定量评价疼痛的参考指标之一。
引用本文： 付庆彪, 刘春林, 张方, 房怿, 申岱, 张健. 心率变异性分析评价疼痛对自主神经活动的影响. 生物医学工程学杂志, 2015, 32(6): 1223-1226. doi: 10.7507/1001-5515.20150217 复制
0 引言
口腔颌面部疼痛包括面部疼痛和来源于口腔软硬组织的疼痛，常见有炎性疼痛[1]、创伤性疼痛、关节疼痛、神经性疼痛、癌性疼痛、心因性疼痛及医源性疼痛等，对患者日常生活的各个方面产生不良影响[2]。目前，对于颌面疼痛的客观评估分析较少，疼痛的评估多依赖于患者的主诉[3]，是一种主观的个人感受[4]，受众多因素影响，不容易测量。因此本实验希望在实验性人体疼痛模型中，通过控制疼痛的性质、强度、频率、持续时间等因素，来对一些精神躯体的行为和神经生理反应进行定量测量。辣椒素疼痛模型作为实验模型，是一种常用的化学刺激类疼痛模型，在很多文献中都有提及[5-6]。辣椒素所引起的伤害性刺激会引起不同程度的血流动力学改变以及自主神经活动性的改变[7]。心率变异性(heart rate variability, HRV)分析是目前研究自主神经功能的一种较好的无创手段[8]，因此本实验采用HRV分析来定量评价辣椒素疼痛模型中自主神经活动的变化。
1 资料与方法
1.1 一般资料
本研究经天津医科大学口腔医院伦理委员会批准(TMUSHhMEC2014010)，并与志愿者签署知情同意书。选取天津医科大学口腔医学院2007、2008、2009级健康学生志愿者共30名，其中，男15名，女15名；年龄22~27(23.9±1.37)岁。纳入标准：所有志愿者均无心脏病、高血压、糖尿病等系统疾病史；无神经系统疾病以及心理疾病；既往无辣椒或辣椒素过敏史。排除标准：志愿者如特别能吃辛辣食物如湖南、四川等籍贯人士或基本不能吃辛辣食物者将被排除在外。
1.2 实验方法
1.2.1
选择标准肢体Ⅱ导联，以酒精棉球脱去志愿者胸前贴电极处的皮肤油脂，保证接触良好，3M(Canada Company)电极涂耦合剂贴在志愿者体表，采用Powerlab ML870心电信号采集系统全程采集志愿者的心电(electrocardiogram, ECG)信号。
1.2.2
嘱志愿者去枕平卧，平静20 min，即平静状态(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公司生产)的棉质片覆盖在志愿者下唇唇红位置，嘱其抿住嘴唇，继续观察20 min，即辣椒素刺激状态(T1)。
1.2.4
记录涂抹辣椒素后志愿者视觉模拟量表(Visual Analogue Scale, VAS)评分。本研究采用0~100 mm VAS[9]评分标准，评价涂抹辣椒素后志愿者的疼痛情况，0表示无痛，100 mm表示无法忍受痛。VAS值≤30 mm为轻度疼痛，VAS值≥70 mm为重度疼痛，VAS值介于31~69 mm为中度疼痛[10]。
1.2.5
使用Matlab R2006a编程应用软件处理所采集到的ECG信号，剔除异位搏动和伪差，对ECG信号提取得到RR间期序列，在RR间期序列中分别选取T0期、T1期较稳定的一段信号，长度各5 min，用来分析志愿者不同状态下的HRV指标。比较两组指标的差异性，并对结果进行统计学分析。
1.3 检测指标
本实验需要采集的指标包括：ECG信号、时域分析指标、频域分析指标、非线性分析指标。时域分析指标包括：所有窦性RR间期的标准差(SDNN)、所有相邻窦性RR间期长度差异的均方根(RMSSD)、所有相邻窦性RR间期差值超过50 ms的心搏数所占百分比(PNN50)、RR间期的总个数除以RR间期直方图的高度即三角指数；频域分析指标包括：总功率(TP)、低频功率(LF)、高频功率(HF)、低频功率/高频功率(LF/HF)、标准化的低频功率(LFn)、标准化的高频功率(HFn)；非线性分析指标包括：散点图的短轴(SD1)、散点图的长轴(SD2)。
1.4 统计分析
所有数据均输入SPSS 13.0软件处理, 计量资料以
2 结果
2.1 VAS评分结果
根据VAS评分卡尺读数，最终VAS评分为(63.36±11.21) mm，最大值为87 mm，最小值为45 mm。总体可评价为中度疼痛。
2.2 血流动力学分析结果
根据ECG信号可以得到志愿者的心率(heart rate, HR)。T0时期HR为(71±9.91)次/分；T1时期HR为(74.33±11.13)次/分。通过配对t检验得到P=0.121＞0.05，差异无统计学意义。
2.3 时域分析结果
HRV的时域分析各项指标的值见表 1，组内前后比较采用配对t检验，SDNN和三角指数在T1时期较T0时期均明显升高，RMSSD和PNN50没有明显变化。
表1
时域分析结果
Table1.
Results of time domain analysis
2.4 频域分析结果
频域分析数值较大且较离散，故使用常数对数转换。表 2中组内前后比较采用配对t检验，TP、LF、LF/HF以及LFn在T1时期较T0时期均明显升高，HFn在T1时期较T0时期明显降低，HF没有明显变化。
表2
频域分析结果
Table2.
Results of frequency domain analysis
2.5 非线性分析结果
图 1所示为辣椒素刺激前后RR间期Poincaré散点图。表 3中SD1和SD2的组内前后比较采用配对t检验，SD2在T1时期较T0时期明显升高，SD1没有明显变化。
图1
RR间期Poincaré散点图
Figure1.
Poincaréscatter diagram of RR interval
表3
非线性分析结果
Table3.
Results of nonlinear analysis
3 讨论
疼痛与自主神经系统的活动有着密不可分的关系[11]。近年来研究发现，交感神经阻滞可以明显减轻灼性神经痛和反射性交感神经营养不良患者的疼痛和痛觉过敏症状[12]，证明交感神经兴奋与否与疼痛轻重程度有密切的关系。HRV是指连续心搏间瞬时HR的微小涨落，是自主神经作用的结果，能反映中枢及自主神经系统对心脏节律的调节，可以客观地评价交感神经和迷走神经的活动性。
本研究中，VAS评分最大值为87 mm，最低值为45 mm，平均值为63.36 mm，说明志愿者主观感受的疼痛级别平均可达中等疼痛，也证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，这是由于辣椒素作为疼痛刺激引起了交感神经活动性增强；但是T0期与T1期HR的差异没有统计学意义，说明常规的血流动力学指标对本实验模型的疼痛刺激不敏感。
时域分析结果中，SDNN和三角指数主要反映HRV整体活动性的变化，是HRV中的慢变化成分[13]；而RMSSD、PNN50主要反映迷走神经的活动性，是对HRV中快变化成分的反映[14]。SDNN和三角指数在T1期较T0期均有明显增高，且差异具有统计学意义，反映了辣椒素所致的疼痛刺激导致自主神经整体的活动性增强。RMSSD、PNN50在T1期较T0期虽有所增高，但是差异不具有统计学意义，反映了迷走神经随交感神经的协调性增高。
频域分析结果中，总功率TP代表的是时间段内HRV的总和，反映了自主神经整体的活动性；高频功率HF反映了迷走神经的功能水平；低频功率LF是交感神经和迷走神经共同作用的一个混合带，更多的是反映交感神经随总功输出变化而产生的调节变化；LF/HF反映的是交感神经和迷走神经的平衡状态，升高代表交感神经活跃，下降则表示交感与迷走神经处于不平衡状态[15]；HFn和LFn则反映了交感、迷走神经的相对值，直观反映了交感、迷走神经的调节作用[16]。在本研究中，TP、LF、LF/HF和LFn四项指标在T1期较T0期都有增高，HFn在T1期较T0期有所降低，且差异都具有统计学意义，而HF则没有明显变化。结果显示在辣椒素的疼痛刺激下，自主神经整体的活动性增强。而LF/HF的增高说明辣椒素疼痛刺激引起了交感神经和迷走神经平衡性的改变，在交感神经和迷走神经活动性都增加的同时，交感神经的活动性增加幅度较大，反映了交感神经活动性对辣椒素疼痛刺激应激的敏感性。
HRV非线性分析指标能定量反映RR时间间隔的结构性和复杂性。本研究采用的是散点图分析方法中的椭圆填充法。SD1反映了相邻RR间期的差异，是对HRV中快变化成分的表达，主要反映迷走神经的活动；而SD2是对HRV中慢变化成分的表达，反映整体自主神经功能的变化情况[17]。本研究中SD2在T1期较T0期有明显增高，且差异具有统计学意义，也反映了辣椒素所致的疼痛刺激导致自主神经整体的活动性增强。SD1的变化没有统计学意义，同样证实了辣椒素的疼痛刺激对迷走神经活动性的影响较小。
综上所述，辣椒素刺激所致的实验性疼痛会导致自主神经整体的活动性增高，其中交感神经活动性的增高占优势。辣椒素刺激所致疼痛引起的应激反应可以在HRV分析中表现出来，因此可以把辣椒素疼痛模型作为研究人体口腔颌面痛的实验模型。同时，在进一步的实验中，可以考虑把HRV分析作为定量评价疼痛的参考指标之一。
0 引言
口腔颌面部疼痛包括面部疼痛和来源于口腔软硬组织的疼痛，常见有炎性疼痛[1]、创伤性疼痛、关节疼痛、神经性疼痛、癌性疼痛、心因性疼痛及医源性疼痛等，对患者日常生活的各个方面产生不良影响[2]。目前，对于颌面疼痛的客观评估分析较少，疼痛的评估多依赖于患者的主诉[3]，是一种主观的个人感受[4]，受众多因素影响，不容易测量。因此本实验希望在实验性人体疼痛模型中，通过控制疼痛的性质、强度、频率、持续时间等因素，来对一些精神躯体的行为和神经生理反应进行定量测量。辣椒素疼痛模型作为实验模型，是一种常用的化学刺激类疼痛模型，在很多文献中都有提及[5-6]。辣椒素所引起的伤害性刺激会引起不同程度的血流动力学改变以及自主神经活动性的改变[7]。心率变异性(heart rate variability, HRV)分析是目前研究自主神经功能的一种较好的无创手段[8]，因此本实验采用HRV分析来定量评价辣椒素疼痛模型中自主神经活动的变化。
1 资料与方法
1.1 一般资料
本研究经天津医科大学口腔医院伦理委员会批准(TMUSHhMEC2014010)，并与志愿者签署知情同意书。选取天津医科大学口腔医学院2007、2008、2009级健康学生志愿者共30名，其中，男15名，女15名；年龄22~27(23.9±1.37)岁。纳入标准：所有志愿者均无心脏病、高血压、糖尿病等系统疾病史；无神经系统疾病以及心理疾病；既往无辣椒或辣椒素过敏史。排除标准：志愿者如特别能吃辛辣食物如湖南、四川等籍贯人士或基本不能吃辛辣食物者将被排除在外。
1.2 实验方法
1.2.1
选择标准肢体Ⅱ导联，以酒精棉球脱去志愿者胸前贴电极处的皮肤油脂，保证接触良好，3M(Canada Company)电极涂耦合剂贴在志愿者体表，采用Powerlab ML870心电信号采集系统全程采集志愿者的心电(electrocardiogram, ECG)信号。
1.2.2
嘱志愿者去枕平卧，平静20 min，即平静状态(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公司生产)的棉质片覆盖在志愿者下唇唇红位置，嘱其抿住嘴唇，继续观察20 min，即辣椒素刺激状态(T1)。
1.2.4
记录涂抹辣椒素后志愿者视觉模拟量表(Visual Analogue Scale, VAS)评分。本研究采用0~100 mm VAS[9]评分标准，评价涂抹辣椒素后志愿者的疼痛情况，0表示无痛，100 mm表示无法忍受痛。VAS值≤30 mm为轻度疼痛，VAS值≥70 mm为重度疼痛，VAS值介于31~69 mm为中度疼痛[10]。
1.2.5
使用Matlab R2006a编程应用软件处理所采集到的ECG信号，剔除异位搏动和伪差，对ECG信号提取得到RR间期序列，在RR间期序列中分别选取T0期、T1期较稳定的一段信号，长度各5 min，用来分析志愿者不同状态下的HRV指标。比较两组指标的差异性，并对结果进行统计学分析。
1.3 检测指标
本实验需要采集的指标包括：ECG信号、时域分析指标、频域分析指标、非线性分析指标。时域分析指标包括：所有窦性RR间期的标准差(SDNN)、所有相邻窦性RR间期长度差异的均方根(RMSSD)、所有相邻窦性RR间期差值超过50 ms的心搏数所占百分比(PNN50)、RR间期的总个数除以RR间期直方图的高度即三角指数；频域分析指标包括：总功率(TP)、低频功率(LF)、高频功率(HF)、低频功率/高频功率(LF/HF)、标准化的低频功率(LFn)、标准化的高频功率(HFn)；非线性分析指标包括：散点图的短轴(SD1)、散点图的长轴(SD2)。
1.4 统计分析
所有数据均输入SPSS 13.0软件处理, 计量资料以
2 结果
2.1 VAS评分结果
根据VAS评分卡尺读数，最终VAS评分为(63.36±11.21) mm，最大值为87 mm，最小值为45 mm。总体可评价为中度疼痛。
2.2 血流动力学分析结果
根据ECG信号可以得到志愿者的心率(heart rate, HR)。T0时期HR为(71±9.91)次/分；T1时期HR为(74.33±11.13)次/分。通过配对t检验得到P=0.121＞0.05，差异无统计学意义。
2.3 时域分析结果
HRV的时域分析各项指标的值见表 1，组内前后比较采用配对t检验，SDNN和三角指数在T1时期较T0时期均明显升高，RMSSD和PNN50没有明显变化。
表1
时域分析结果
Table1.
Results of time domain analysis
2.4 频域分析结果
频域分析数值较大且较离散，故使用常数对数转换。表 2中组内前后比较采用配对t检验，TP、LF、LF/HF以及LFn在T1时期较T0时期均明显升高，HFn在T1时期较T0时期明显降低，HF没有明显变化。
表2
频域分析结果
Table2.
Results of frequency domain analysis
2.5 非线性分析结果
图 1所示为辣椒素刺激前后RR间期Poincaré散点图。表 3中SD1和SD2的组内前后比较采用配对t检验，SD2在T1时期较T0时期明显升高，SD1没有明显变化。
图1
RR间期Poincaré散点图
Figure1.
Poincaréscatter diagram of RR interval
表3
非线性分析结果
Table3.
Results of nonlinear analysis
3 讨论
疼痛与自主神经系统的活动有着密不可分的关系[11]。近年来研究发现，交感神经阻滞可以明显减轻灼性神经痛和反射性交感神经营养不良患者的疼痛和痛觉过敏症状[12]，证明交感神经兴奋与否与疼痛轻重程度有密切的关系。HRV是指连续心搏间瞬时HR的微小涨落，是自主神经作用的结果，能反映中枢及自主神经系统对心脏节律的调节，可以客观地评价交感神经和迷走神经的活动性。
本研究中，VAS评分最大值为87 mm，最低值为45 mm，平均值为63.36 mm，说明志愿者主观感受的疼痛级别平均可达中等疼痛，也证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，这是由于辣椒素作为疼痛刺激引起了交感神经活动性增强；但是T0期与T1期HR的差异没有统计学意义，说明常规的血流动力学指标对本实验模型的疼痛刺激不敏感。
时域分析结果中，SDNN和三角指数主要反映HRV整体活动性的变化，是HRV中的慢变化成分[13]；而RMSSD、PNN50主要反映迷走神经的活动性，是对HRV中快变化成分的反映[14]。SDNN和三角指数在T1期较T0期均有明显增高，且差异具有统计学意义，反映了辣椒素所致的疼痛刺激导致自主神经整体的活动性增强。RMSSD、PNN50在T1期较T0期虽有所增高，但是差异不具有统计学意义，反映了迷走神经随交感神经的协调性增高。
频域分析结果中，总功率TP代表的是时间段内HRV的总和，反映了自主神经整体的活动性；高频功率HF反映了迷走神经的功能水平；低频功率LF是交感神经和迷走神经共同作用的一个混合带，更多的是反映交感神经随总功输出变化而产生的调节变化；LF/HF反映的是交感神经和迷走神经的平衡状态，升高代表交感神经活跃，下降则表示交感与迷走神经处于不平衡状态[15]；HFn和LFn则反映了交感、迷走神经的相对值，直观反映了交感、迷走神经的调节作用[16]。在本研究中，TP、LF、LF/HF和LFn四项指标在T1期较T0期都有增高，HFn在T1期较T0期有所降低，且差异都具有统计学意义，而HF则没有明显变化。结果显示在辣椒素的疼痛刺激下，自主神经整体的活动性增强。而LF/HF的增高说明辣椒素疼痛刺激引起了交感神经和迷走神经平衡性的改变，在交感神经和迷走神经活动性都增加的同时，交感神经的活动性增加幅度较大，反映了交感神经活动性对辣椒素疼痛刺激应激的敏感性。
HRV非线性分析指标能定量反映RR时间间隔的结构性和复杂性。本研究采用的是散点图分析方法中的椭圆填充法。SD1反映了相邻RR间期的差异，是对HRV中快变化成分的表达，主要反映迷走神经的活动；而SD2是对HRV中慢变化成分的表达，反映整体自主神经功能的变化情况[17]。本研究中SD2在T1期较T0期有明显增高，且差异具有统计学意义，也反映了辣椒素所致的疼痛刺激导致自主神经整体的活动性增强。SD1的变化没有统计学意义，同样证实了辣椒素的疼痛刺激对迷走神经活动性的影响较小。
综上所述，辣椒素刺激所致的实验性疼痛会导致自主神经整体的活动性增高，其中交感神经活动性的增高占优势。辣椒素刺激所致疼痛引起的应激反应可以在HRV分析中表现出来，因此可以把辣椒素疼痛模型作为研究人体口腔颌面痛的实验模型。同时，在进一步的实验中，可以考虑把HRV分析作为定量评价疼痛的参考指标之一。
