運動性中樞疲勞與外周疲勞的生物反饋研究

遲淑勛李宏偉賴敏王梁盧玉麗

1泰國孔敬大學(xué)聯(lián)合醫(yī)學(xué)學(xué)院（孔敬府孔敬市泰國40000）2贛南師范學(xué)院體育學(xué)院

運動性中樞疲勞與外周疲勞的生物反饋研究

遲淑勛1，2李宏偉2賴敏2王梁2盧玉麗2

1泰國孔敬大學(xué)聯(lián)合醫(yī)學(xué)學(xué)院（孔敬府孔敬市泰國40000）2贛南師范學(xué)院體育學(xué)院

目的：探討生物反饋技術(shù)復(fù)合指標心率變異性（HRV）、表面肌電（sEMG）、皮電及腦電（EEG）在運動性中樞疲勞與外周疲勞發(fā)生時的變化規(guī)律，闡明中樞疲勞、外周疲勞包括心肌疲勞之間的關(guān)系及可能存在的時序關(guān)系。方法：隨機選擇大學(xué)生運動員16名，分為男子組、女子組。采用Bruce方案，以跑臺運動的方式，使運動員逐步達到深度疲勞。同時記錄即刻心率、反應(yīng)時、RPE，以確定中樞、外周與心肌疲勞的產(chǎn)生。自身前后對照與男女比較生物反饋技術(shù)復(fù)合指標在安靜、疲勞、恢復(fù)時的不同變化特點，同時建立安靜、疲勞、恢復(fù)的時序特征圖。結(jié)果：疲勞時當(dāng)HRV指數(shù)顯著下降，HRV時域指標（SDNN、RMSSD、PNN50）、頻域指標（LF功率值、HF功率值、LFHF）及竇性心律不齊上升時，其sEMG振幅指標（IEMG、RMS）上升，頻率指標（MPF、MF）下降；其皮電SCL值男子下降，女子上升；其EEG各腦波（α波、β波、SMR波、θ波）功率譜顯著上升。生物反饋技術(shù)建立的運動性疲勞時序特征圖，顯示疲勞的時序為：心肌（HRV）→骨骼?。╯EMG）→腦（EEG）。結(jié)論：生物反饋技術(shù)可以實現(xiàn)運動性中樞疲勞與外周疲勞的聯(lián)合監(jiān)控，并可為運動性中樞疲勞與外周疲勞描繪出程序圖。

生物反饋技術(shù)；運動性疲勞；心率變異性；腦電圖；肌電圖；皮膚導(dǎo)電水平

運動性疲勞的時序性問題由于研究方法的限制仍值得探討。腦電（electroencephalogram，EEG）可反映中樞疲勞，表面肌電（surface electromyography，sEMG）和皮電可反映骨骼肌、皮膚等的外周疲勞，而心率變異性（heart rate variability，HRV）則可一定程度反映心肌疲勞。融合了EEG、sEMG、皮電及HRV等的生物反饋技術(shù)（biofeedback technology，BT），以其系統(tǒng)化、集成化、高效精密，無創(chuàng)傷等突出特點，可用于同時評鑒中樞、外周、心肌疲勞出現(xiàn)的先后次序，并建立運動性疲勞時序圖。本研究采用實驗研究法，探究疲勞時腦電、肌電、皮電及HRV等生物反饋主要指標的變化特征，觀察運動性疲勞時序特征，為闡明運動性疲勞的機制及診斷運動性疲勞提供參考。

1　對象與方法

1.1受試者與實驗?zāi)Ｐ偷慕?/p>

隨機選取2012級大學(xué)生運動員16名，分為男子組（8名）、女子組（8名），年齡分別為20.00±0.76歲、20.00±0.76歲，身高為1.72±0.04 m、1.61±0.04 m，體重為64.28±5.50 kg、53.20±5.59 kg，運動年限為3.88±1.36年、3.63±1.60年。

正式實驗前，實驗對象需保證48 h內(nèi)無失眠、酗酒或任何形式的大負荷訓(xùn)練、比賽，并進行一般醫(yī)學(xué)檢查，確保受試者無不適于從事大強度運動的臨床醫(yī)學(xué)疾病或運動系統(tǒng)損傷。在多次熟悉運動負荷及實驗流程，并詳實了解實驗可能存在的風(fēng)險和參與實驗可以獲得的報酬后，簽訂知情同意書。

運動方案參照經(jīng)典的Bruce方案制定［1］，即以2.7 km/h的速度，10%的最大坡度開始，每3 min遞增一級，遞增方式見表1。整個方案共7級，最終將達到最大速度9.6 km/h，坡度22%。

運動中，采用德國產(chǎn)h/p/cosmos pulsar 4.0運動跑臺進行運動強度控制。安靜及運動時，用芬蘭產(chǎn)Suunto遠程心率遙測團隊系統(tǒng)采集即刻心率、視覺簡單反應(yīng)時（紅光）測試反應(yīng)時、Borg RPE量表測試體力感覺等級，用于疲勞評定。澳大利亞產(chǎn)Schuhfrted生物反饋儀獲取安靜狀態(tài)、疲勞狀態(tài)、以及進行大強度運動后第2天清晨恢復(fù)狀態(tài)下的BT復(fù)合指標值。

表1　Bruce方案各級運動強度

1.2BT效應(yīng)指標的選取

HRV生物反饋時域指標：R-R間期的標準差（standard deviation，SDNN）、相鄰R-R間期之差的均方根值（root mean square of successive differences，RMSSD）、相鄰心搏R-R間期之差值大于50 ms的心搏數(shù)占心搏總數(shù)的百分比（the percentage of all adjacent NN distances that differ＞50 ms from each other，PNN50）；頻域指標：低頻功率值（power low frequency，pLF）、高頻功率值（power high frequency，pHF）、低頻高頻功率比（LFHF）。

心率變異性指數(shù)（heart rate variability index，HRV Index）、竇性心律失常（absolute sinus arrhythmia，SAa）。

表面肌電生物反饋振幅指標：積分肌電（integrated electromyography，IEMG）、均方根振幅（root mean square amplitude，RMS）；頻率指標：平均功率頻率（mean power frequency，MPF）、中位頻率（median frequency，MF）。

皮電生物反饋指標：皮膚導(dǎo)電水平（skin conductance level，SCL）。

EEG生物反饋指標：α波、β波、SMR波、θ波功率譜。

1.3電極片及傳感器的設(shè)置

實驗中EEG生物反饋電極采用國際10/20系統(tǒng)電極放置法，2導(dǎo)聯(lián)（雙導(dǎo)）電極安置在左右對稱的前額。HRV生物反饋的1導(dǎo)聯(lián)（雙導(dǎo)）和EMG生物反饋的2導(dǎo)聯(lián)（雙導(dǎo)）電極以及皮電生物反饋的傳感器，則按照儀器自帶《生物反饋電極片設(shè)置指導(dǎo)手冊》，分別選擇左側(cè)手掌背面和右側(cè)股直肌、股內(nèi)側(cè)肌以及右側(cè)中指。

1.4數(shù)據(jù)及圖像處理

采用SPSS 20.0中的單樣本t檢驗分析即刻心率、RPE數(shù)據(jù)，同時應(yīng)用相關(guān)樣本t檢驗分析安靜、疲勞時的反應(yīng)時數(shù)據(jù)，用于實驗對象疲勞狀態(tài)的判定。應(yīng)用單因素方差分析（One-way ANOVA）處理安靜、疲勞、恢復(fù)狀態(tài)下生物反饋復(fù)合指標數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)均用平均數(shù)±標準差表示，且以P＜0.05表示差異具有顯著性，P＜0.01表示差異具有非常顯著性。

使用MATLAB2012b制作分段函數(shù)，建立運動性疲勞時序關(guān)系圖。

1.5運動性疲勞的確定

以反應(yīng)時、RPE和即刻心率（HR）等指標，作為疲勞判定的依據(jù)。實驗中，在記錄受試者主訴運動感覺的同時，密切觀察即刻心率的變化以做出綜合判斷。運動性疲勞判定的相關(guān)指標如表2，從表2可看出，當(dāng)男子、女子組運動員的即刻心率達到理論最大心率（HRmax，以年齡20為準）的105%～110%時，兩組反應(yīng)時均呈現(xiàn)不同程度的升高，但差異均不顯著，不過此時兩組RPE卻都高于18（很累），且差異顯著（P＜0.05）。已有研究證實［2，3］，心率、反應(yīng)時、RPE達到或超過一定數(shù)值（如心率達到理論最大心率的105%-110%，反應(yīng)時升高，且RPE達到或超過18），結(jié)合運動性疲勞的定義，即可確定運動性疲勞的發(fā)生。提示可應(yīng)用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，論述中樞、外周以及心肌疲勞的相關(guān)特征。

表2　疲勞判定指標

2　結(jié)果

2.1運動性疲勞的生物反饋技術(shù)指標特征性變化

表3顯示，與安靜狀態(tài)相比，疲勞狀態(tài)下男子、女子組HRV Index顯著下降（P＜0.05）的同時，HRV時域指標SDNN，RMSSD，PNN50和頻域指標LFHF、LF功率值、HF功率值及SAa上升，但差異不顯著。

表3　安靜、疲勞、恢復(fù)狀態(tài)的HRV生物反饋指標值

表4顯示，與安靜狀態(tài)相比，疲勞狀態(tài)下，男子組IEMG、RMS值呈現(xiàn)不顯著上升時，MPF、MF下降，其中MF的下降顯著（P＜0.05）；女子組則疲勞時IEMG、RMS顯著升高（P＜0.05），MPF、MF下降，其中MPF的下降非常顯著（P＜0.01）。

表4　安靜、疲勞、恢復(fù)狀態(tài)的sEMG數(shù)據(jù)值（μV）

表5顯示，與安靜狀態(tài)相比，疲勞狀態(tài)下男子組SCL值非常顯著性下降（P＜0.01），但女子組非常顯著性上升（P＜0.01）。

表5　安靜、疲勞、恢復(fù)狀態(tài)的皮電SCL值（μS）

表6顯示，與安靜狀態(tài)比，疲勞狀態(tài)下男子、女子組各波功率譜均非常顯著升高（P＜0.01）；與恢復(fù)狀態(tài)比，疲勞狀態(tài)除女子組SMR波功率譜顯著升高（P＜0. 05），兩組各波功率譜均非常顯著性升高（P＜0.01）。

表6　安靜、疲勞、恢復(fù)狀態(tài)的EEG生物反饋指標值（μV）

2.2運動性中樞疲勞、外周疲勞及心肌疲勞的時序特點

進入安靜、疲勞和恢復(fù)時的生物反饋復(fù)合指標時序特征見圖1、2、3。進入安靜狀態(tài)，皮電起點大約為0 s，之后依次是120 s左右的HRV、180 s左右的sEMG，最后是420 s左右的EEG。故進入安靜的時序為：外周皮膚電（SCL）→心?。℉RV）→外周骨骼?。╯EMG）→中樞腦電（EEG）。進入恢復(fù)同樣為外周皮膚電（SCL）→心?。℉RV）→外周骨骼?。╯EMG）→中樞腦電（EEG）。但進入疲勞，首先是大約1230 s時HRV，之后是1377 s左右的sEMG，緊接著是1407 s的皮電，最后則是1438 s的EEG。故疲勞時的先后次序，轉(zhuǎn)變?yōu)樾募。℉RV）→外周骨骼?。╯EMG）→外周皮膚電（SCL）→中樞腦電（EEG）。提示生物反饋技術(shù)監(jiān)控的運動性疲勞次序是心肌疲勞→外周疲勞→中樞疲勞。

圖1　進入安靜生物反饋復(fù)合指標時序特征

圖2　進入疲勞生物反饋復(fù)合指標時序特征

圖3　進入恢復(fù)生物反饋復(fù)合指標時序特征

3　討論

3.1運動性中樞疲勞與外周疲勞的生物反饋技術(shù)指標分析

本研究發(fā)生運動性疲勞時，在兩組HRV Index顯著下降，α波、β波、SMR波、θ波的功率譜顯著上升時，男子MF顯著下降，女子IEMG、RMS顯著上升、MPF顯著下降，SCL男子顯著上升，女子顯著下降。一方面疲勞時EEG生物反饋各腦波功率譜均非常顯著上升，這與既往研究有一定差異［4-7］，另一方面HRV生物反饋指標僅HRV Index下降，時域指標、頻域指標均有上升趨勢，這與已有研究存較大差異［8，9］。分析結(jié)果可知，生物反饋技術(shù)監(jiān)控疲勞時呈現(xiàn)中樞、外周及性別的特征性變化，提示其應(yīng)用于運動性疲勞監(jiān)控時，或不能簡單套用分屬領(lǐng)域已成熟的評價標準。生物反饋技術(shù)監(jiān)控疲勞時，復(fù)合指標具有特征性變化，或存在如下多種機制：①生物反饋技術(shù)對多種生物電診斷技術(shù)進行了系統(tǒng)化升級，升級過程中進行了某些整合與簡化，導(dǎo)致生物反饋復(fù)合指標監(jiān)控疲勞時，具有不同的評價標準。②本研究的運動負荷達到甚至超過100%HRmax，而超負荷運動可能導(dǎo)致血乳酸、肌酐肌酸超限堆積［9］，引起終池（SR）中Ca2+大量釋放，且回收Ca2+能力急速下降［10］，最終導(dǎo)致心肌細胞漿中Ca2+（［Ca2+］myo）濃度大幅上升［11］，導(dǎo)致心肌Ca2+代謝極度紊亂，引起R-R間期變化，竇性心律不齊增加，導(dǎo)致HRV時域、頻域指標上升。心律不齊使心肌驟停風(fēng)險增加，可能引起前額區(qū)大腦皮層的高度警覺，乙酰膽堿大量分泌，β波和SMR波驟升，同時，5-羥色胺（5-HT）、γ-氨基丁酸（GABA）等遞質(zhì)大量分泌［12］，引起抑制性腦波α波和θ波表達。此時大腦皮層，可能同時增強了交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)的張力，導(dǎo)致交感神經(jīng)控制的汗腺出現(xiàn)功能性紊亂［13］，或?qū)е潞瓜僦車a(chǎn)生某些具有性別差異的代謝產(chǎn)物，引起男、女皮電的不同結(jié)果。③深度疲勞時機體產(chǎn)生超量的自由基、脂質(zhì)過氧化物（LPO）［14］，可能引起心肌生物膜通透性改變，細胞外Ca2+內(nèi)流，線粒體內(nèi)Ca2+外流，引起線粒體功能極度紊亂，或?qū)е滦募∨d奮收縮失偶聯(lián)［10］，竇性心律不齊上升，心率變異大量發(fā)生。

3.2運動性中樞疲勞與外周疲勞的生物反饋技術(shù)指標時序特點分析

本研究結(jié)果顯示，生物反饋技術(shù)監(jiān)控下運動性疲勞的發(fā)生次序為：心肌疲勞→外周疲勞→中樞疲勞，可能與以下機制有關(guān)：①生物反饋技術(shù)融合與簡化，可能帶來新的時序特征。②運動員處于深度疲勞時出現(xiàn)了Ca2+、Na+、K+等離子轉(zhuǎn)運的極度紊亂［15］，導(dǎo)致心臟功能下降，從而可能影響骨骼肌血供，減弱甚至阻礙橫管活動，抑制肌絲滑行［16］，可能反向觸發(fā)α、γ運動神經(jīng)元異常放電，引起肌電繼發(fā)變化。此后，發(fā)生異常離子代謝的肌肉組織可能影響汗腺處Ca2+、Na+、K+等離子的代謝。當(dāng)調(diào)控心肌的植物性神經(jīng)，調(diào)控肌肉的脊神經(jīng)以及調(diào)控汗腺活動的交感神經(jīng)均出現(xiàn)功能紊亂時，腦組織周圍或才出現(xiàn)［Pi］myo、ADP、［H］+含量改變及Trp的大量轉(zhuǎn)運。故產(chǎn)生心肌（HRV）→外周骨骼?。╯EMG）→外周皮膚電（SCL）→中樞腦電（EEG）的時序特點。③深度疲勞時，伴隨尿素、肌酐肌酸、乳酸和鹽類物質(zhì)等的大量分泌與堆積，以及IgG、IgM、IgA含量的持續(xù)下降［17］，血漿滲透壓、電解質(zhì)濃度、血液pH值發(fā)生變化，血液狀態(tài)改變可能首先影響心臟。之后影響至骨骼肌，致骨骼肌Ca2+穩(wěn)定性下降，生物活性物質(zhì)CaM、cAMP含量改變。接著引起皮膚電反應(yīng)變化。最后才穿透血腦屏障進入大腦，引起功率譜表達水平的改變。④但深度疲勞時，機體也可超量產(chǎn)生5-HT、GABA等抑制性神經(jīng)遞質(zhì)［14，18］。其可能不僅作用于中樞，還可作用于α、γ等運動神經(jīng)元以及肌組織，交感神經(jīng)、迷走神經(jīng)甚至是汗腺。故進行大強度運動時，心肌先發(fā)生疲勞，而后是骨骼肌、皮膚等外周組織發(fā)生疲勞，最后中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生疲勞。

4　小結(jié)

生物反饋技術(shù)可以實現(xiàn)運動性中樞疲勞與外周疲勞的聯(lián)合監(jiān)控，并描繪出運動性中樞疲勞與外周疲勞的時序特征。

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2014.03.28

江西省體育局局管課題（2013025）

李宏偉，Email：lihongwei1969@126.com