2023年2月7日

脈搏感應器PPG的應用(4):不同生理狀況,脈搏怎麼變化

讓我用一張簡圖說明一下這篇玩弄身體心搏變化的原理是什麼。在主動脈弓和頸動脈竇的血管壁有感壓受器,可以偵測血壓變化,把訊號傳入腦幹中的延腦。而延腦可以藉由副交感神經和交感神經去控制心臟搏動。

簡化的過程如下。想知道更進一步的細節,可以再搜尋baroreflex看資料。這部影片的說明很不錯。  Baroreflex Regulation of Blood Pressure, Animation.

  • 感壓受器感受到血壓增加→中樞→心搏降低→血壓降低
  • 感壓受器感受到血壓降低→中樞→心搏增加→血壓增加
中樞調控心搏快慢則是藉由交感和副交感神經來控制,例如要讓心搏增加,可以活化交感神經,或是降低副交感神經活性。


身體因應體內或體外的隨時變化,由交感和副交感兩種自律神經不斷調控,因此心搏的每次搏動間隔(interbeat interval)都會有些差異,記得嗎?這叫心率變異性(heart rate variability),自律神經功能越好,心率變異度會越大。後面幾篇會直接用程式去算出來心率變異度以及評估自律神經。我們這裡就先玩玩各種生理狀況,看看脈搏會怎麼變化吧。


刺激頸動脈
如果本身有心血管疾病的話,這可能有點危險。用手壓住頸動脈過十秒後放開。放開約5秒後,脈搏會降低到比前幾秒還低的狀況,然後又會開始變高。這可能原因是在放開頸動脈之後,突然增加的動脈血使得頸動脈體偵測到血壓增加,因此中樞使心搏降低,但是並不會一次降得剛好,血壓有點過低,所以會讓交感神經活化,使心搏增加,血壓再提升。在圖上有一個部份也能夠作為血壓的參考,那就是脈搏波形的峰值(注意看波峰與藍線的相對距離),這個波形反映了動脈血體積的變化,在血壓高的時候,波峰也會增高,所以你也能夠從波峰的高度變化間接看到血壓的變化。


坐姿改立姿
這沒有什麼危險性啦,就是坐著然後站起來,不過期間要確保手指與感測器的位置不要改變。在站起來之後,會看到動脈血體積減少,這時候血壓下降,因此會刺激自律神經使心搏加快,仔細看當心搏增加之後,血液體積也增加了。


努責現象(或叫伐氏呼吸 valsalva maneuver)
吸氣閉氣,緊閉喉頭,增加腹壓。這動作每個人都做過,其實就是便秘時肚子用力的樣子,或是重量訓練時穩固核心時也會這麼做。吸氣閉氣時,胸腔壓力增加,會減少肺靜脈血液流回左心房,使主動脈輸出血量減少(仔細看脈搏波形的峰值降低),這時候自律神經使心搏增加,在這張圖上我從原本的BPM約70,上升到94。恢復呼吸之後,心輸出量恢復正常,脈搏降低,感恩我自律神經。

吐氣閉氣
同樣是憋氣,但吐氣憋氣的結果就不太相同了,心搏一樣會增加,但是動脈血體積就沒有減少得那麼多了。


喝水
這個現象我也是偶然才發現的,喝水的同時會明顯看到心搏增加

我本來想是不是因為有水入喉,於是做了假喝水的動作,僅有吞嚥的動作,但沒有喝水,一樣產生心搏增加的現象

後來也有做喉頭下降但不吞嚥,卻發現沒有明顯變化。這個機制目前我不明白


駝背含胸呼吸姿勢
從前幾次測試應該已經知道呼吸運動和心搏是有相關的,不同的呼吸姿勢,例如駝背含胸時,呼吸短淺時,會發現心搏變化量較小,但如果是正常地讓胸腔能夠自由擴張,就能發現心搏的變化較為正常。



呼吸頻率與心率變化同步
在最前面講到的感壓反射-感受血壓變化來調整心搏快慢的感壓反射,身體並不是如同膝反射那樣會立刻反應,而是會有一段約10秒的延遲。所以在正常呼吸時,心搏本來就會有一點週期性變化,只是沒有那麼明顯。吸氣時抑制副交感神經,使心搏上升,吐氣時副交感神經回復活性,心搏下降,這稱為RSA (Respiratory Sinus Arrhythmia呼吸竇性心律不整),這種心律不整是一種正常生理現象。


雖然我們無法主動控制心搏,但是我們可以主動控制呼吸運動的頻率,讓它搭配心搏的變化週期,搭配上了之後,你就會看到非常明顯且規律的心律變動。控制到什麼程度,大約就是五秒吸五秒吐,一次呼吸約十秒的週期。

就像是推小孩盪鞦韆一樣,推的週期和盪的週期配合上了,你就可以把小孩推上天,這就是共振。這種降低頻率與心率搭配的呼吸叫做「共振頻率呼吸」(Resonance frequency breathing)。透過這個即時圖表,你可以看著BPM的變化曲線,當它降低時,你就吐氣讓它更低,當它高時,你就吸氣讓它更高,很簡單就做到生物反饋(biofeedback)。利用這種呼吸訓練,可以使副交感神經更活化。

你可能也想到了,許多智慧型手表都有著「壓力監測」的功能,其實就是從心率變異性去算出來的。壓力越大時,身體處在戰或逃的狀態,交感神經較為活化,此時心率變異性會較低。這類型手錶等,也都有「放鬆」的功能,方法都是藉由使用者主動降低呼吸頻率來達成放鬆。

要達到明顯呼吸頻率與心率變化同步,通常是十秒一個呼吸,但每個人會不太一樣,呼氣和吐氣的時間也不一定都是1:1,像我大概就是要 10.5秒到11 秒。要知道更細的資訊就要再用程式去算變異性,這個就之後文章再寫。


胸式呼吸與腹式呼吸
呼吸運動是藉由胸腔的擴張和縮小達成,而胸腔體積的變化同時由肋骨和橫膈位置改變來控制。胸式呼吸和腹式呼吸就像一個光譜的兩端,一端是完全由肋骨位置改變胸腔體積,另一端則是完全由橫膈位置變化來改變胸腔體積。你覺得你在這個呼吸光譜的那個位置?

在腹式呼吸的過程中,用橫膈變化來主導呼吸運動時,腹部自然而然就會在吸氣時突出,吐氣時縮回,這是再自然也不過了。但因為一種社會評價-「縮小腹才是美的帥的」,所以無時無刻都在縮小腹,這同時也限制了自己不能運用腹式呼吸。

我曾經刻意搜尋在YT上教大家縮小腹的影片,好幾個都是標榜著要讓自己呼吸時小腹都要平平的,因為這樣才能符合大家的美感,社會評價才會好。

坦白說,我在以前也都是這麼被影響著,但有一回聽到何立安博士在這集【#21 從子宮聊到白宮,什麼是現代人的裹小腳?怎麼救回失調的日之呼吸?】的論述「收小腹是現代人的裹小腳」之後,我才頓悟我一直都在限制自己的呼吸模式。這時我才開始解放腹部,使日常的呼吸模式變成腹式呼吸。

變成腹式呼吸之後,我發現最大的影響其實是說話,多年來我一直很困擾的是我總是得拿著麥克風才能上課,我會不斷囑咐著自己要用肚子用力來說話,但每次都失敗,每學期開始的第一週總是沙啞著喉嚨,我常常會想「每年都沙啞,我這樣還能當老師嗎」。但我開始在生活中就自然而然進行腹式呼吸之後,其實也才這幾年,我發現居然可以不用麥克風了!(但是在實驗室那種環境還是要啊)

那麼腹式呼吸和胸式呼吸在心率變異性的差異是什麼了?我也做了試驗。在腹式呼吸時,藉由降低橫膈使胸腔體積變化量提高,在心率變異性上很明顯大於胸式呼吸(最大心率更大,最小心率更小)。如果你習慣駝背含胸再加上胸式呼吸,其實就是垂頭喪氣的樣子,或是縮著身體打電腦的樣子,你應該可以猜得出來你的心率變異性會是如何吧?



呼吸姿勢和模式會透過自律神經影響心率變異性,反過來,在改善自律神經功能上,呼吸的姿勢和模式也會是個重要的角色。