洞見疲勞之謎Heart Rate Variability —HRV心率變異
明明已經休了24小時，但是怎麼覺得今天跑前還是懶懶的....24小時不是已經很足夠了嗎？我到底要如何才能知道現在自己累不累。疲累是一種難以量化的感覺，卻是耐力運動員的另一個戰場。一位頂尖運動員一定知道如何面對疲勞。有前輩常說，比賽不是只有賽道上面幾個小時，而是一個長期準備的必然結果。如果不知道如何面對並且配合隨訓練而產生的疲勞，那我不知道什麼時候會再次被疲憊壓垮！
鑑測疲勞，各方英雄人馬都提出自己的觀點，沒錯，我說的就是手錶、手環等等....我實在無法被單純的數字顯示說服，於是，跟當初的心率測量一樣，我開始找一個可以告訴我為什麼的測量量表研究看看。
Variability is the law of life…
心率變異度是我們洞見生命的定律...
(William Osler, physician and educator, 1849–1919; Olser, 1903, p. 327)
(威廉奧斯樂，醫師與教育家)
一、心率變異度：我知故我在，人類的好奇追尋。
如果要看心率變異度，那他的歷史值得我們多多探究一下。這個歷史，與我們的心跳發現史無法切割。早在西元前三百年左右，希臘醫學科學家Herophilos就發現並記載我們身上心率的規律性。而一直到近代，許多先賢先哲們發現，心跳不只是規律跳動，他還會有大範圍變化和小規模變動。第一個被記錄到心跳會隨著吸氣和呼氣變化跳動頻率的是在1874年Carl Ludwig在狗的身上發現呼吸與心跳之間的規律性，並且記錄成紙本。這就是HRV沿革史的關鍵發現，RSA：Respiratory Sinus Arrhythmia，我們會在吸氣時心率速度增快，而在呼氣時心率速度變慢。20世紀時，心電圖技術漸漸成熟，我們可以經由心臟的電氣效應解讀心臟的各式活動，於是2000多年的知識始有所成，成為我們現在的HRV心率變異度。
Carl Lugwig(1816-1895) 照片引用自參考資料1.
二、HRV =Heart Rate Variability心率變異度
要讓心率變異度變成一個可以偵測身體狀態的用具，那我們必須先擬定邏輯思維前因後果。把這些因子找到，並且想辦法證明之。
HRV在生理學上的意義。
有什麼工具可以用來監測HRV?
也就是說：
工具———>測量HRV———>監測身體狀況：疲勞等....
從前段的歷史概論其實重點只有一個，人類花了約兩千年的時間找到這個心率變異度，但是一直到近代才將測試工具設計出來，並且用生理學和醫學的角度將他確實的應用。
三、到底為什麼HRV可以讓我們看到身體的異常？
為什麼我們的心跳會在細微處有所變化呢？也就是其實我們的心率變化是一個動態的，不只是心臟是動態的這個事實，就連跳動規律也是一個動態變化。而這個變化，不等同於我們的因為運動而心跳加速的這個現象，而是一種微觀的。
前述發現我們的心跳會隨著呼吸一下子快一下子慢，醫學家發現這是由我們的Vagus Nerve迷走神經主導，這個發現更導引出我們的Sympathetic Nerve System交感神經（打與跑機制）、和Parasympathetic Nerve System副交感神經（休息與消化）這兩者之間的生理平衡反應。心率變異度，可以視為一個蹺蹺板。翹翹板的兩端是即是交感和副交感之間的拉鋸，而這個拉鋸將反映我們心臟以及身體上的壓力，這壓力可以是疲勞、病痛等多種因素。只是這看似簡單，但是其實是一個超多因子的結果論。影響HRV的因子太多、而且相互影響，於是我們用儀器跟數學邏輯來分析我們手上現有的資料，資訊量一多，就會有參考的價值。
這裏舉一個例子：我們的心跳其實可以隨著生理變化（壓力、生病等等）做細微的改變，HRV心率變異度可以視為一個敏銳度指標。何為敏銳度？一個休息充足的自行車運動員，在賽道上可以有非常棒的危險反應機制，每一個過彎、轉向、小石子閃躲、最短路徑的規劃，甚至到最重要的營養補給策略，因為休息充足，所以有好的敏銳度，可以在比賽中做到最好的臨場反應，勝算就高。HRV則反應我們身體內在的反應，如血流：血流量增大，表示身體某處需要更多的養分帶入與廢物排出，如果我們的HRV的數值越大，表示有著越靈敏的生理反應機制，以這個例子來說，我們的血流量可以隨著生理壓力做最適當的調整，需要大流量時，反應大流量；需要減少流量時，我們的心臟也可以做出能量節約的動作。一個充裕休息的人體可以做出更細微的調整。而HRV心率變異度可以將這靈敏的程度量化到非常細微的一個時間場域，在人類日漸進步的科技下，更可以從中獲得更多資訊。
好像還不是很懂，沒關係，我們再舉一個例子。現在市面上標榜的變頻冷氣也可以是一個有趣的HRV具象化。試想我們現在的目的是一個房間的冷房效果，假設現在的房間溫度已經達到一個定值，壓縮機在一個慢速省電狀態運轉，非常環保。當房間裡面加入熱源，譬如說開Party突然湧進一堆大學生，裡面溫度必然有所變化，那感溫元件感應到一點點的升溫效應後，開始加速壓縮機將頻率拉高，瞬間多打一些冷氣進房間，讓房間溫度再度回到一開始的溫度，然後再與現在的熱源（一堆大學生）達到一個新的恆定。反之，如果冷氣一時間打太多到房間裡，溫度降得太低，那頻率再降低一點，讓溫度回溫。變頻的目的是讓溫度避免大起大落，反應越細微越靈敏，那耗費的能源就會少些。變頻如果越遲鈍，當然能源的效率也會降低。其實用壓縮機與冷熱效應來比喻心跳對於環境細微變化的適應能力，如果人體可以很敏銳的對外在環境做出適當的反應，以維持恆定，那表示身體休息充足。反之，如果反應遲鈍，表示疲勞累積，或者身體內部出了一些問題。
四、心率變異度的測量技術與意義
其實我們要找到的東西非常簡單，就是心跳在一段時間內的細微變化，並且量化之。
現階段演進，主要分為兩大方式：
1. Time domain時序場域：測量心跳NN=Normal to Normal，也就是我們所說的RR interval（心電圖QRS的R，兩個R相間隔的時間算一次心跳時間）。一段時間裡計算數個RR區間來分析之間的變異度。甚至用心跳波形分析之。這個方法較簡單，不需要很高階的儀器就可以進行，等等介紹的簡單方式就是如此。
2. Frequency domain頻率場域：當然，醫學家不滿足於時間場域分析（Time Domain）的方式，和數學家及物理學家合作之後，將心跳與時間關係轉換成能量圖譜並且分析之。這種方式精確很多，許多儀器也因此衍生製造，這個主題有待我們的心臟專家繼續研究（此研究甚至使用到傅立葉的離散變換）。有趣的是當醫學家看得越仔細，這個動態的心率變異度看似混亂，但是經由Chaos Theory混沌理論：在看似混亂的大數據中找到一個潛在的行為模式，甚至發現homeostasis（=wisdom of the body）生物的恆定性。（也就是說對於環境壓力，人類，甚至是細胞本身，會產生多種不同的適應選擇，而這選擇或許是混亂的，但是卻是為了活下去的適應。活下去，是一個單純而混亂的集合。對於恆定性的敏銳反應，簡而言之，就是所謂的恆定性。）
＊＊＊＊於此，我們可以歸納出HRV是一個動態的身體數值指示，HRV變化越大（ HRV>50ms, milisecond文獻上是以50ms為分界），我們細微的心跳反應越靈敏，那我們的身體素質目前狀況越好，在運動訓練表現上就可以耐受性更好，表現更卓越。（當然，這是相對而言。）隊長認為，這也是動物的一種適應性的微分，把適應性極小化觀看，是一種短時間的評估。
那我們要怎麼獲得HRV?其實如果捨棄過於複雜的分析，我們只想知道現階段身體的素質，例如：疲勞。
一個非常淺顯易懂的HRV示意圖
圖片來源：英國麻醉醫學會http://www.frca.co.uk/article.aspx?articleid=100497
HRVdb=Heart Rate Variability deep breath深呼吸心率變異度測試。我們回到故事一開始最原先的測量方式！
HRVdb測量示意（圖片來源：GARMIN Jason Lin）
用高階儀器計算混沌理論或傅立葉離散變換，在一般自我訓練的成本與能力，可能無法負擔得起。但是我們可以利用簡單的工具，譬如說心跳錶（有支援呼吸心率變異度程式），可以知道自己在一段時間中測試到的HRV變化，每次測試搭配吸氣與吐氣之間量到的心率變化波峰和波谷數值來取得自己的HRV，但是得注意到的一點就是，如果呼吸速度過快，這個方法會失去參考價值。
目前可行性最高又不需要花太多金錢的就是手機或者手錶結合心跳帶來進行Heart Rate Variability with deep breathe，並且使用同一組機組做長期的追蹤（如果使用不同廠牌或不同機組則會造成誤差）。照著程式所設定的吸氣吐氣秒數來偵測HRV，長期累積下來即可有具參考價值的數據。
四、深度應用與展望概述
第一個歷史上記錄到的HRV應用根據文獻資料是在1960年代中期，Hon and Lee (1965) 用HRV來鑑測胎兒窘迫 ，而現今，心率變異度被醫學用為婦產科學胎兒鑑測的標準流程。到1970年代，HRV更被用來做糖尿病神經病變的應用。
長期研究顯示，再由心肌梗塞治療康復的病患中，HRV<50ms的病人比HRV>100ms的病人，猝死率要多出5.3倍(Kleiger et al., 1987) 。舉例來說，如果病人的心臟對於細微的身體血流變化反應相對遲緩的話，那未來的預後會相對不好。簡單來說，如果一位治療後的病人，心臟對於身體壓力（有可能是心理、也有可能是生理，甚至是多重因子的疲勞）反應長期追蹤之下（HRV），相對差的話，那或許必須採取更積極的治療。
五、結語
從察覺心率的規律，到其中規律的變異性，甚至到現在心臟科學的許多衍生研究，已經經過兩千多年（從希臘學者Herophilos開始），而日新月異的分析技術持續在演進和開發，令人興奮的是，我們又會因為新的技術跟新的視野再看到更多應用的可能性。多虧科技進步還有許多技術的平價化，現在連手機手錶都可以做到個人化的HRV測量。如果器材許可，更可以做先進的病理學分析和疾病追蹤。許多更新的HRV研究將更加的深入各個應用層面。 HRV的研究歷史就像是一涓細流，漸漸的會聚成大江大海，漫流在各個領域之中。
【延伸閱讀】
能量系統與心跳率的親密關係
超跑引擎之謎：為什麼練跑越久，心跳越慢？The Mysterious Athlete’s Heart
作者介紹：
本文作者為一名醫師同時也是馬拉松運動狂熱者（自由隊長），這年度剛剛到達三小時二十分的全馬大關。源自對這項運動的熱情，作者不斷的研究怎麼讓自己跑得更快和更久。這篇文章其實是一篇引子，希望能讓大家想更多、想更廣。如果有不舒服的話，一定要找心臟內科醫師和運動醫學專科醫師做進一步檢查，要非常謹慎的對待自己的身體，把自己當成一位運動員來保養與對待。文章內容或許在一百年後會有一大部分都是不正確的也說不定，但是這篇文章是根基在這一百一十年左右的研究所研讀寫作出來的。
精益求精，共勉之。
Reference參考資料:
1. George E. Billman. Heart Rate Variability – A Historical Perspective. Front Physiol. 2011; 2: 86.
Published online 2011 Nov 29. Prepublished online 2011 Oct 14. doi: 10.3389/fphys.2011.00086
2. http://www.frca.co.uk/article.aspx?articleid=100497 （英國麻醉醫學會）
3. http://level1diagnostics.com/testing/heart-rate-variability/
4. Heart Rate Variability Standards of Measurement, Physiological Interpretation, and Clinical Use. Circulation. 1996; 93: 1043-1065 doi: 10.1161/01.CIR.93.5.1043
特別感謝：Garmin Jason Lin的照片和腦力激盪、嘉郁的閱稿建議、Pinky的閱稿建議