2.1   自主神经系统与心率变异性生物反馈   人体自主神经系统有两个主要分支——与能量动员相关的交感系统，以及与营养和恢复功能相关的副交感系统[2]。交感神经和副交感神经平衡是维持相对稳定的内部环境的基本前提，正常情况下自主神经系统两个分支处于平衡状态，维持人体正常节律、情绪和生理活动等方面。当机体长期处于压力、疾病、创伤、应激等慢性应激状态会扰乱自主神经稳定性，导致交感神经系统过度激活，心率变异性(heart rate variability，HRV)降低[3]。直接或间接地影响机体潜在疾病，或加剧其进程[4]。目前研究已证实，如糖尿病、高血压、抑郁症、创伤后应激障碍、睡眠障碍等多种疾病的发生会伴随发生自主神经的紊乱[5]。有学者认为，自主神经失调既是疾病的诱因、发展过程中主要的风险因素之一，也是疾病的结果[6]。因此，正确评价自主神经活动有助于了解心血管活动调节和心血管疾病的发病机制，了解干预自主神经系统趋向于平衡的手段有助于心血管健康与慢病防治的发展。 心率变异性生物反馈正是此类平衡自主神经功能的经典干预方式之一，该技术于20世纪80年代中期由LEHRER和VASCHILLO [7]开发，是一种新形式的心肺干预技术，后来被称之共振呼吸或呼吸性窦性心律失常生物反馈(respiratory sinus arrhythmia，RSA)。心率变异性生物反馈是基于心血管系统的共振特性，采用共振频率下的深慢呼吸方式在心血管系统中引起有节奏的高幅度振荡，从而刺激和锻炼自主神经反射及压力反射的一种呼吸训练方式。共振可以改善交感和副交感系统反射的调节功能，增强两个系统之间的平衡调节。在存在自主神经功能障碍的情况下，这种平衡可以得到恢复。正如同佛教禅修中的正念呼吸[8]、中国传统功法六字诀、气功、印度瑜伽等方式都涉及到深慢呼吸[9-11]，即通过调息的方式改善呼吸系统、心血管系统、认知功能、心理健康等方面，这些方式可能因流派不同而操作有所差异，而心率变异性生物反馈已经实现标准化且应用简单，通过主动改变呼吸模式达到心率和呼吸同步振荡，进而实时性提高心率变异性[12]。"

2.2   机体的振荡系统   机体的振荡系统与共振系统是心率变异性生物反馈产生作用的前提。在生物系统中，振荡反映了外部刺激和自身调节的反射系统的运作，所以如果完全缺乏刺激这些反射系统则会失去锻炼，导致萎缩。根据认知心理学领域“异稳态”理论，即通过变异性实现的稳定性，类似于由无规律的环境刺激而引起的振荡控制的过程[13]。适当的刺激能促进控制功能敏感性，缺乏干扰刺激则易引起系统的失用性萎缩，进而导致一系列病症[14]。研究表明，内部或外部“刺激”可以增强各种控制过程的敏感性。因此，准确识别振荡系统有助于阐明振荡调控机制，系统研究人体振荡系统和刺激方法，有助于更好地阐明人体内环境稳态/异稳态调控机制，增强异稳态锻炼方法。理想情况下，这些锻炼可以使一个人对环境压力的影响更有弹性，提高反应能力，增强对身心疾病的抵抗力。而心率变异性生物反馈正是一种易操作、效果好的周期性刺激人体心血管振荡系统的训练方法。"

2.3   心血管系统中的共振   首先浅谈共振，共振是一个简单的物理学原理[15]，比如荡秋千时，如果将脚蹬的助力与秋千的摆动频率保持一致，并在正确的时机施加力量，你会注意到摆动变得更加轻松，幅度也会增加，这是因为外力与秋千的自然频率发生了共振效应。压力反射系统是稳定血压振荡过程的一个很好的例子，同时被认为是提供心血管系统共振的机制之一[16]。它会引起血压、心率和血管张力的周期性波动，反映出调节控制。 在人类体内，心率和血管张力压力反射是心血管系统两个独立又相互依存的延迟性闭环负反馈通路，约在0.1 Hz和0.03 Hz处具有共振特征[17-19]。当心率加速时，通过动脉压力感受反射进行缓冲整合，约5 s后出现外周血压延迟性升高[20-21]，而血管张力的振荡频率较心率慢，因此在血压升高12-18 s后出现血管扩张[22]。上述5 s和15 s的延迟与0.1 Hz和0.03 Hz的共振一致(即振荡周期等于延迟值的2倍)。所以与其他频率的刺激相比，0.1 Hz 或 0.03 Hz 的节律性刺激能对心血管系统产生更稳定的心率、血管张力和血压振荡，诱发产生更高的振荡振幅[23]。关于0.1 Hz的深慢呼吸为何，又如何起作用，该综述从以下3点进行深入说明，机制详细示意图见图3。"

2.3.1   呼吸性窦性心律失常   以共振频率进行深慢呼吸的心率变异性生物反馈技术诱发心血管系统振荡源于RSA现象，即呼吸与心率振荡是独立相关的，吸气时心率增加，呼气时心率降低。RSA主要由迷走神经介导，迷走神经是主要的副交感神经之一，该神经将压力感受器传入冲动传递到大脑，再经整合后反射回窦房结调节心率[24]。RSA的两个主要机制是：①中枢呼吸系统可对心迷走神经节前神经元直接调控[25]；②吸气时肺扩张刺激肺牵张感受器可抑制心迷走神经传出活动[26]。 研究表明，RSA在年轻人中最为明显，并随着年龄的增长而减小[27]。RSA可通过运动锻炼等物理调节增加[28]，或通过深呼吸、缓慢呼吸而放大[29]。由于RSA的机制，呼吸可引起心率和血压的振荡。如果振荡的频率与共振频率吻合，心率-压力感受器反射闭环系统会放大这些振荡。心率变异性生物反馈即通过创建心率和呼吸的正弦相位同步模式增加训练者的RSA[30]，增加心脏迷走神经活动[31]，并刺激负责稳态的负反馈回路[32]。 尽管通过深慢节奏呼吸可以触发心血管共振，但需要注意的是心血管的共振特性是由其结构和物理特性决定的，其可能取决于循环血量、血液黏稠度、血管系统的长度和体积、交感和副交感反应的速度等，故共振频率因人而异，大多数人在4.5-7.0次。下文会对不同研究中针对不同人群的共振频率进行详细介绍。 2.3.2   压力反射闭环系统   压力反射闭环系统可以引起血压、心率和血管张力的周期性波动，反映了稳定振荡过程的典型调制过程，同时也是心血管系统共振机制的重要组成部分。外界刺激(如压力或运动等)会导致血压变化，如果没有压力反射机制，可能会引起血管破裂、循环不良或终末器官损伤等。压力反射系统通过减慢心率和引起血管扩张，对血压升高及时做出反应，从而使血压下降。当血压下降，同样的机制会导致血管收缩和心率加快，使血压再次上升达到稳定状态。 压力反射的两个分支(心率-血压压力反射/血管张力-血压压力反射)都是具有负反馈的闭环控制系统，可以有效地缓解偶发的血压波动[33]。然而，由于压力反射闭环系统具有固有的延迟，血压波动不会立即得到纠正，而是触发压力反射，在延迟一段时间后消除波动。随后，血压波动的消除会再次触发压力反射，在延迟一段时间后导致新的血压波动，但幅度较小。这个过程会一直持续，直到稳定血压波动。因此，任何血压波动都会在共振频率上引起衰减的血压振荡，这个频率取决于延迟时间[34]。例如，心率-血压压力感受性反射的反应延迟，人约为5 s[35]，兔约为1.7 s[36]，大鼠约为1.25 s[37]。由于闭环系统中的延迟，稳定的负反馈压力反射系统等于约延迟幅度2倍周期的频率振荡的共振系统[38]。即延迟决定闭环系统中共振频率。如果延迟为(D)[s]，则共振振荡的频率为1/(2D)[Hz]。因此，在人类中，心率和血压以大约0.1 Hz(10 s振荡周期)的频率发生振荡。兔为0.3 Hz (3.3 s)振荡周期。大鼠0.4 Hz (2.5 s振荡周期)。在血管张力-血压压力反射中也存在类似的反射延迟模式。由于血管张力对血压变化的反应延迟12-18 s，所以血管张力-压力反射在大约0.03 Hz的频率处具有共振特性[17]。 当以共振频率进行呼吸时，心率和血压大约以180°相位角振荡，每一次呼吸都会刺激压力感受器反射，压力感受器反射增益(血压每改变1 mmHg在每分钟改变心率的次数)大幅增加[38]。此时共振呼吸训练成为一种以内源性刺激模拟外部刺激以增加HRV及锻炼压力反射的方式。这证明压力反射具有神经可塑性，通过定期反复锻炼可以强化该反射调节功能，进而刺激人体心血管振荡系统。 2.3.3   心率、呼吸与血压之间的相位关系   正是因为RSA与压力反射延迟性闭环通路的特性，导致了两种振荡的共振。因为RSA几乎没有延迟，心率随着呼吸进行波动，而心率-压力反射闭环通路约5 s的延迟导致在进行个性化共振频率的心率变异性生物反馈时心率、血压及呼吸直接存在特殊相位关系。 在日常活动中，正常呼吸频率(9-24次/min)下，心率和呼吸通常以90°相位角振荡，心率峰值往往出现在呼吸中间，产生较弱的共振效应。当心率和呼吸完全不相同时(呈180°相位角振荡)，呼吸与心率异步循环，心率的峰值往往发生在呼气末，则此时气体交换效率最低。当呼吸和心率振荡完全相同时(呈0°相位角振荡)，呼吸频率约为0.1 Hz(6次/min，该频率因人而异)，呼吸与心率共振，即为共振呼吸训练，此时的气体交换效率最大化[38]。在共振呼吸训练过程中，心率与呼吸呈现两个正弦波，波峰和波谷完全对齐，心率振荡的振幅增长到静息时的数倍，见图4。"

心率和血压之间也存在不同相位关系，会随着刺激频率改变发生系统性变化。VASCHILLO等[17]研究发现，在共振频率的呼吸下，心率和血压以180°相位角振荡：即心率一开始上升血压就开始下降，心率一开始下降血压就开始上升。这种相位关系有力地表明，高振幅心率振荡的机制之一是压力反射。"

2.4   心率变异性生物反馈改善自主神经功能的干预效果评价    2.4.1   干预效果   目前心率变异性生物反馈已在慢病及心理疾病领域得到广泛应用，并逐渐在体育运动领域推广应用。目前看来该技术在3个领域中的应用存在一定的交叉点，即疾病类型或疗效涉及自主神经、压力反射及大脑皮质延髓及周围区域即可产生相应功效。可以从心血管共振及心率变异性生物反馈的相关机制中深入探究产生功效的相关机制。 心率变异性生物反馈作为一种非药物性干预手段，在心理疾病领域中很多疾病的干预或辅助治疗中广泛应用，并表现出显著的效果。因为有研究表明，除心理和社会因素外，抑郁症等心理疾病的发生与自主神经平衡有重要联系，HRV会随病程及病情发展呈现下降趋势，自主神经平衡中交感神经逐渐占优势，副交感神经逐渐衰弱[39-40]。而即使常规药物及心理治疗对于症状有所改善，但有部分患者的HRV仍然处于较低的水平，甚至有些抗药物的使用会进一步降低患者HRV[41]。故更安全、且能改善自主神经平衡的方式需要渗入到传统治疗之中，心率变异性生物反馈就是一种安全且能改善自主神经平衡的治疗手段[42-63]。对心理疾病的影响主是要对HRV、睡眠质量及相关心理量表的改善，少部分研究涉及脑电。疾病的种类主要包括抑郁症、焦虑症、创伤后应激障碍及物质成瘾等。相关机制研究认为，心率变异性生物反馈在心理疾病应用的众多研究中，主要围绕心率变异性生物反馈通过迷走神经传入大脑中参与情绪调节的相关区域(孤束核、杏仁核、臂旁核、蓝斑和海马体)进行探讨，脑电研究表明心率变异性生物反馈对大脑相关区域如边缘-丘脑、海马-皮质系统的激活。具体表现在心率变异性生物反馈对通往大脑情绪控制相关区域的迷走神经传入通路影响情绪调节。此外，心率变异性生物反馈实时提高心率变异性，并在周期训练后HRV总功率及低频LF等指标的增加提示心功能改善和迷走神经激活以及改善压力反射敏感性的动态平衡。但目前为止，在心理治疗领域目前仍缺乏长期的随访研究疗效的长期效应或复发率等。 表1汇总了心率变异性生物反馈在心理治疗领域的应用进展[54-63]。"

在慢病领域心率变异性生物反馈产生功效的机制主要来自共振对心血管系统的影响，包括改善压力反射敏感性以及自主神经平衡能力的研究中。值得注意的是，其中也涉及包括改善慢病患者心理状况的相关研究。但心率变异性生物反馈最初是应用于哮喘的治疗研究中，LEHRER等[42]的研究发现心率变异性生物反馈可以改善哮喘患者的肺功能及哮喘症状，改善气道自主神经张力，降低哮喘恶化的易感性，减少充分控制症状所需的哮喘药物剂量。但该学者之后的一项研究表明心率变异性生物反馈可能是哮喘的补充治疗方法，但并不能替代吸入性类固醇药物治疗哮喘[43]。此项研究之后的学者往往忽略了心率变异性生物反馈对支气管及肺功能的有效影响，而专注于其对自主神经及心血管疾病的影响。此后研究发现心率变异性生物反馈可改善慢性疼痛患者的疼痛程度，并提高情绪状态和生活质量[44-45]。对高血压的控制研究中，研究认为，高血压患者通常伴随心脏自主神经功能障碍和压力反射敏感性改变[46]。 在心率变异性生物反馈推广之前，研究人员常应用固定频率的缓慢呼吸训练干预疾病，JOSEPH等[47]研究发现6次/min均衡呼吸可以增加压力反射敏感性，降低交感神经活动，同时降低患者血压情况。另有研究表明缓慢呼吸训练(4 s吸气6 s呼气)同样具有降血压效果[48-49]。随着心率变异性生物反馈在心血管疾病中的推广及应用，LIN等[50]针对高血压前期患者的研究发现心率变异性生物反馈治疗效果显著优于固定频率(6次/min)呼吸练习的患者。此外，该团队另一名学者还发现共振呼吸可显著降低血压在应激状态下的急剧升高，缓解心血管应激反应[51]。上述结果均表明，相较于固定6次/min频率的呼吸训练来说，共振频率下的共振呼吸具有更强治疗效果，且共振频率具有较大个体差异。此外，研究发现冠心病患者多发抑郁或焦虑心理，研究人员认为这是HRV在疾病基础上进一步降低及患者再次发病的风险因素[52]。在一项对冠心病的长期随访中，YU等[53]研究发现冠心病患者在进行心率变异性生物反馈训练1年后其全因再入院率与全因急诊率显著低于对照组。此外，还有一些对纤维肌痛、心力衰竭及非特异性腰疼等疾病的相关研究均显示HRVB的有效应用[64-67]。目前关于心率变异性生物反馈对慢病的长期随访研究较多，显示出其长期疗效作用。但目前存在问题，如目前在血压控制领域的研究仅涉及高血压前期和1期，而缺乏对高血压其他分期及分型干预疗效的相关研究。心血管共振研究大多利用是对心率-压力反射通路的刺激与激活，目前尚不清楚血管张力-压力反射通路的特有频率是否存在相关功效。 在体育领域，目前也有研究证实了心率变异性生物反馈提高运动能力的功效，但其应用的运动领域目前较为局限，大部分研究也是通过心率变异性生物反馈的相关机制通过改善运动员睡眠质量，提高注意力，提高心率变异性间接提高运动员的运动能力。目前主要涉及篮球、足球、射击、雪橇项目运动员，重要针对赛前与训练期的睡眠质量、焦虑状况、专注能力、反应时间及HRV情况进行深入研究[68-70]。其中，专注力和反应时直接影响相关运动的运动成绩，而睡眠质量、焦虑以及HRV情况则更多反映运动员的运动疲劳恢复情况以及赛前心理，从而间接影响运动成绩。在射击项目中，中国学者安燕等[71-72]的两项研究发现，心率变异性生物反馈的应用可以降低射击运动员的反应时，这一结果直接影响了该项目的运动成绩。此外，心率变异性生物反馈还降低了运动员在POMS量表中的紧张、疲劳和抑郁分量表水平，降低了血清皮质醇水平，从而间接提高了运动成绩。类似的效果也在足球和篮球项目中观察到，而与反应时和专注力相关的运动项目还有很多待探索的空间，比如乒乓球、网球、羽毛球和拳击等。此外，相关脑电研究表明，心率变异性生物反馈对θ波功率的升高表明认知处理和意识以及参与自我调节的状态增加，因此研究者们可以探索心率变异性生物反馈在围棋、象棋等项目的应用效果。值得一提的是，LI等[73]对冬奥会雪橇运动员的睡眠研究表明，心率变异性生物反馈对睡眠效率的改善、提高深度睡眠占比和降低浅睡眠占比，这是心率变异性生物反馈在体育重大赛事期间是首次应用，提示未来可扩展心率变异性生物反馈在多样化体育项目中的应用。此外，多个研究还显示，HRV相关指标的改善以及其他生化、生理指标的辅助应用均显示心率变异性生物反馈在副交感神经张力的提升，从而达到生理心理应激状态的改善。然而，目前大多数运动领域的研究仍局限于共振机制，导致应用受到限制。心率变异性生物反馈不仅涉及心血管系统的共振效应，最初应用于哮喘的相关机制，包括缓慢呼吸对肺功能和支气管功能的效应，以及在运动性哮喘、游泳运动员屏气能力的改善，以及爆发性项目运动员二氧化碳耐受力等领域的效应，这些值得未来深入研究。 2.4.2   适用人群分析   目前结果分析，心率变异性生物反馈适用人群比较广泛，根据其已被证实的调节自主神经平衡性、增加副交感神经活性以及刺激压力反射的机制，理论上凡是涉及自主神经失衡及压力反射障碍等与心率变异性生物反馈机制相关的疾病均可产生一定疗效。然而，对于不同疾病及人群中的疗效可能存在差异，其原因与疾病的发生机制密切相关。 在心理疾病中，如抑郁症及焦虑症等与副交感神经及大脑情绪调节区域直接相关的疾病，心率变异性生物反馈的疗效主要体现在相关情绪量表的降低，且效果显著。然而，在物质使用障碍相关疾病中，虽然许多研究辅助阐述了身体指标的改善情况，但直接改善物质戒断率等方面的相关研究结果较少。慢性疾病领域也存在类似情况，如冠状动脉疾病与自主神经关联相对较小，心率变异性生物反馈在该疾病的直接疗效仍需进一步研究。而在体育领域，心率变异性生物反馈可直接提升专注力以及反应时，因此与这些能力直接相关的项目，如射击、射箭和球类项目等，心率变异性生物反馈的效益最为显著。此外，心率变异性生物反馈在提高副交感神经活性，改善自主神经平衡方面似乎适用于所有项目的运动员的睡眠质量以及疲劳恢复，但其效果在不同项目中的差异还有待进一步确定。另外，心率变异性生物反馈的研究涵盖了广泛的年龄段，从儿童青少年到老年不等。研究认为，青少年对于心率变异性生物反馈的效果更好，这可能与该年龄段心血管及神经系统的可塑性较中老年更好有关。然而，目前在儿童或青少年的共振频率的界定以及如何增加心率变异性生物反馈训练的趣味性，以尽量避免儿童训练者的脱训，仍存在一些问题需要进一步研究。值得注意点是，可能受研究样本量的限制，现有研究中，未发现性别差异会对心率变异性生物反馈的疗效产生明显影响，但目前性别差异的研究较少，未来可以深入探究性别是否会对心率变异性生物反馈疗效产生差异。 2.4.3   治疗效果的评价标准与方法   由于心率变异性生物反馈涉及到自主神经系统调节和心血管功能，评估其治疗效果需要综合考虑多个指标和因素。根据以往研究发现，HRV是评价心率变异性生物反馈治疗效果最常用的指标之一，其反映了心脏自主神经调节的灵活性和健康状态。通过分析心率的变异性，可以了解自主神经系统的稳定性和适应性。此外，自主神经功能评估在心率变异性生物反馈也十分重要，除了HRV，还可以通过其他自主神经功能的评估指标来评价心率变异性生物反馈治疗效果，如血压变异性、交感神经活性及副交感神经活性等。但目前为止，较多自主神经功能的定量指标多由HRV指标计算得出，未来值得开发新的自主神经定量评估指标。评估心率变异性生物反馈对情绪改善的主要指标通常包括相关情绪量表，例如贝克抑郁量表、贝克焦虑量表、创伤后应激障碍量表等，这些量表可以定量评估患者的情绪变化。 在慢性疾病领域，特定疾病的评定量表如纤维肌痛影响问卷、麦吉尔疼痛问卷等也可作为评估指标。辅助指标可以包括生化指标检测，如C-反应蛋白、皮质醇等指标的变化，以及脑电指标辅助测试，如相关情绪区域α波功率、β波功率的变化情况等。目前尚未确立统一的心率变异性生物反馈治疗效果评价标准，然而，现有研究结果表明，心率变异性生物反馈的加入往往比单独常规临床治疗的效果更好，并且心率变异性生物反馈的单独应用也可显著改善人体生理及心理指标。未来应加强多中心、大样本的随机对照试验，探索更准确、全面的评价体系，以提高心率变异性生物反馈治疗效果评估的科学性和可靠性。 2.4.4   干预内容、频率及结局指标   心率变异性生物反馈是主动将呼吸频率由正常的12-20次/min降低到个人共振频率(约6次/min)，每次训练持续15-20 min，也可每日分为2次训练，每次进行约10 min。训练频率通常为每周约5次。以往有研究使用每周1次60 min的生物反馈训练，容易导致呼吸肌疲劳及过度通气等问题。目前建议使用研究应用最多的训练频率，即每日进行2次20 min的心率变异性生物反馈训练，总时间建议至少6周，可以观察到生理及心理的显著改善。 大多数研究教导训练者采取腹式呼吸法同时呼气时采取缩唇式呼气，以减小呼气流速，增加呼气阻力，提高呼吸肌肌力。心率和呼吸大约以0.1 Hz也就是6次/min的速度共振。但每个人都有独特的共振呼吸频率，通常在4.5-7.0次/min。目前常用于检测每个人特有的共振频率方法是令训练者依次进行7.0，6.5，6.0，5.5，5.0，4.5次/min的呼吸，每个频率下呼吸两三分钟[1]。在心电图中观察产生低频LF最高尖峰的呼吸频率定为该训练者的最佳共振频率，或在生物反馈监控设备中观察心率波幅与呼吸波幅是否呈0°相位角同时变化，决定该训练者的最佳共振频率。需要注意的是，共振频率因人而异的同时也可能随时间推移发生个体变化，所以为了精准共振频率，应定期测试，更新最佳训练频率。同时共振呼吸练习应由专业的治疗师指导教学，课程应分为若干节循序渐进。在初步的共振频率测量之后，治疗师应该监测3-5 min的共振频率呼吸，同时观察呼吸过度的迹象。 目前研究中不同人群的治疗结果中，心率变异性生物反馈的应用多以症状及病情相关指标如心理量表、生理及血液相关指标作为研究的主要结局指标，辅以心率变异性、呼吸频率等心率变异性生物反馈普适性指标进行辅助解释。多数患者常存在多种心理症状，如失眠和焦虑等，故未来研究中建议涉及多方面量表。 2.4.5   注意事项   仅改变呼吸频率作为训练手段是相对安全的，但为避免过度通气以及突然减慢呼吸引起的胸闷心悸等症状，应安排教学课程，将呼吸频率由正常的12-20次/min逐渐降低至个人共振频率。当共振呼吸不能正常进行时，最常见的不良反应是轻度头晕，通常在恢复正常呼吸或鼓励进行浅呼吸后休息一段时间以减少CO2的损失。严重的肺部疾病(如肺气肿、重度哮喘)、癫痫、肺结核或其他传染性疾病、易呼吸性酸中毒的患者不适合做呼吸训练。此外，新冠后气道敏感性高，深长的呼吸易诱发咳嗽，故新冠初愈的患者慎用。"