運(yùn)動監(jiān)控中心率變異性分析方法的研究進(jìn)展

蔡騰旭，袁際學(xué)，李翼飛，王曉婉

1 引言

運(yùn)動監(jiān)控已經(jīng)成為運(yùn)動訓(xùn)練和競賽中不可或缺的一部分，在運(yùn)動訓(xùn)練中為了讓運(yùn)動員更好的適應(yīng)訓(xùn)練計劃，教練員必須要通過一些數(shù)據(jù)來反應(yīng)運(yùn)動員的訓(xùn)練應(yīng)激水平，了解和掌握在訓(xùn)練過程中出現(xiàn)的身心變化，并用以指導(dǎo)訓(xùn)練計劃，以便防止運(yùn)動員在訓(xùn)練過程中發(fā)生嚴(yán)重運(yùn)動損傷和疲勞。在監(jiān)控的過程中，教練員要同時考慮外部負(fù)荷和內(nèi)部負(fù)荷的測量，外部負(fù)荷可用一些相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行測量，但是外部負(fù)荷測量無法準(zhǔn)確的反映出運(yùn)動員在訓(xùn)練和比賽中產(chǎn)生的生理應(yīng)激。而針對于運(yùn)動員的內(nèi)部負(fù)荷傳統(tǒng)的生理生化指標(biāo)，如激素、血液等，會不可避免的對運(yùn)動員造成一定的創(chuàng)傷引起運(yùn)動員的不適和厭煩，且無法第一時間給出運(yùn)動員教練員需要的反饋信息，更有甚者會出現(xiàn)操作不當(dāng)使運(yùn)動員出現(xiàn)感染造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷。所以，迫切需要一個無創(chuàng)但是又能夠?qū)x手自身技能狀況做出客觀判斷的全新的監(jiān)控手段[1]。

心率變異性(Heart Rate Variability，HRV)是相鄰心跳間歇的細(xì)小差別，是衡量心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)一個重要指標(biāo)[2]。通常情況，心率在交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)神經(jīng)的控制下呈現(xiàn)出周期且有節(jié)律的波動，當(dāng)通過一定訓(xùn)練對機(jī)體造成刺激后，會將心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)平衡打破，心率變異性指標(biāo)也會出現(xiàn)相應(yīng)的變化[3][4]。心率變異性被廣泛應(yīng)用在運(yùn)動負(fù)荷的相關(guān)評定之中，用來考察運(yùn)動訓(xùn)練準(zhǔn)備的合理性和運(yùn)動員對訓(xùn)練負(fù)荷的應(yīng)激反應(yīng)。

心率變異性監(jiān)控方便有效，可以更好的了解運(yùn)動員的疲勞程度和對訓(xùn)練負(fù)荷的適應(yīng)程度，但是，教練員也應(yīng)該認(rèn)識到影響心率變異性的因素有很多，認(rèn)識到它的局限性。本文通過對心率變異性在運(yùn)動監(jiān)控中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，旨在使教練員和相關(guān)從業(yè)人員了解該指標(biāo)在監(jiān)控中的應(yīng)用方法，方便其制定合理的訓(xùn)練監(jiān)控計劃。

2 心率變異性的分析方法

2.1 心率變異性的常用分析指標(biāo)

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，心率變異性的常規(guī)分析方法分包括了線性分析法和非線性分析法。其中，線性分析法包含了時域分析法、頻域分析法和時頻分析法；非線性分析法又包含散點圖法、非線性預(yù)測與建模法等[5]。在體育運(yùn)動監(jiān)控中，常用的心率變異性分析方法有三種：時域分析、頻域分析和非線性分析，常用分析指標(biāo)詳見表1[6][7]。但是由于非線性分析的運(yùn)算過程比較繁瑣，中國國內(nèi)目前使用比較普遍的是時頻和頻域兩種分析方法。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，針對于時域分析指標(biāo)和頻域分析指標(biāo)有著一定的參數(shù)范圍，但是這些指標(biāo)是否適用于運(yùn)動監(jiān)控中有待考證，因此本文之中不再詳細(xì)羅列陳述相關(guān)數(shù)據(jù)。

表1 心率變異性常用指標(biāo)及含義

2.2 線性分析

2.2.1 時域分析

時域分析法是心率變異性最簡單的方法，1996年Marek[8]等闡述了兩種方法：幾何圖形分析法和統(tǒng)計學(xué)分析法。但是時域分析法卻失去了信號的時間信息,而心率等變異性的頻域指標(biāo)則可以較好地反應(yīng)自主神經(jīng)活性的改變狀況,因此頻域分析法也是研究史上的里程碑[9]。

統(tǒng)計分析是通過一系列與RR間期相關(guān)的數(shù)理統(tǒng)計指標(biāo)來評價心率變異性；幾何分析是分析RR區(qū)間的分布，給出RR區(qū)間的變異程度[10]。常用的幾何分析方法有RR區(qū)間直方圖、RR區(qū)間差異直方圖和心率變異性時間序列圖。

基于時域的計算方法簡單直觀，但在應(yīng)用過程中會丟失所需信號的時序信息。信號的相關(guān)特征太少，敏感性和特異性太低，無法檢測交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的平衡變化，在應(yīng)用時最好與頻域分析相結(jié)合，這樣才能更全面的分析心率變異性的相關(guān)信息。

2.2.2 頻域分析法

頻域分析法是利用計算機(jī)對心率變異的速度和幅度進(jìn)行分析，進(jìn)而得到心率功率圖譜。圖譜的橫坐標(biāo)代表頻率，縱坐標(biāo)代表密度[11]。針對于頻域分析主要有古典譜估計法和現(xiàn)代譜估計法。其中古典譜估計法有周期圖法和快速傅里葉轉(zhuǎn)換法等；現(xiàn)代譜估計法也稱模型法或參數(shù)法，包含自回歸(AR)模型和積分脈沖頻率調(diào)制(IPFM)模型。但是由于古典譜發(fā)在實際應(yīng)用會存在著諸多問題，或多或少會對研究結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，因此，目前研究應(yīng)用較多的是現(xiàn)代譜估計法。

在使用頻域分析法的過程中，對于數(shù)據(jù)的計算，不同的模型有著不同的算法，因此在使用頻域分析法時，教練員或者運(yùn)動監(jiān)控人員要注意的是從始至終要使用同一軟件和算法對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取和計算，否則將會出現(xiàn)數(shù)據(jù)在最終分析時得出毫無意義的結(jié)果，更甚者甚至?xí)捎阱e誤的結(jié)果引導(dǎo)訓(xùn)練進(jìn)程導(dǎo)致出現(xiàn)運(yùn)動員不必要的損傷或疲勞。

2.2.3 時頻分析法

時頻分析法是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域為了克服時域和頻域分析法在單獨使用過程中存在的局限性而發(fā)展起來的，在目前體育運(yùn)動監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用相對較少。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域之中，時頻分析法主要包含時頻分布法、短時傅里葉變換法、基于AR模型的時頻分析法和小波變換法等[6]。在應(yīng)用時靈敏度和特異性比單純使用時域分析法和頻域分析法相對較高，筆者認(rèn)為這種方法應(yīng)該在運(yùn)動監(jiān)控之中加以推廣，它可以更有效地監(jiān)測運(yùn)動員在運(yùn)動過程中的運(yùn)動損傷和疲勞。

2.2.4 非線性分析

心率變異性分析方法的研究取得了很大進(jìn)展。時域分析和頻域分析的理論體系已經(jīng)比較成熟，每個指標(biāo)的含義都非常明確，無論醫(yī)學(xué)還是運(yùn)動監(jiān)控中應(yīng)用都比較廣泛，但是卻具有一定的局限性。時頻分析法雖在一定程度上將這種局限性降低了，但是時頻分析法在使用時并不是那么的靈敏，而且會產(chǎn)生一定的附加噪聲。而且無論是時域分析、頻域分析或時頻分析都有一個巨大的缺陷就是它們無法反應(yīng)瞬時心跳搏動的變化，但非線性分析卻能很好的將這種瞬時變化反應(yīng)出來[12]。心率變異性的非線性分析方法有很多，包括分形維數(shù)分析法、近似熵分析法、復(fù)雜度分析法、散點圖分析法、非線性混沌參數(shù)特征分析、非線性預(yù)測與建模、分布朗運(yùn)動分析等[13][14]。

非線性分析法在目前主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在運(yùn)動監(jiān)控之中應(yīng)用較少，筆者認(rèn)為出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有以下幾點。第一，在運(yùn)動監(jiān)控中主要是監(jiān)測運(yùn)動員的疲勞和損傷的出現(xiàn)，是一個趨勢的預(yù)測，并非即時的病情診斷。第二，在監(jiān)控中對運(yùn)動員的急性應(yīng)激反應(yīng)，使用線性分析便可以很好的反應(yīng)其應(yīng)激狀態(tài)。第三，心率變異性的非線性分析需要一次性長時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)才能更好的反應(yīng)運(yùn)動員的狀態(tài)，但是在訓(xùn)練中無法達(dá)到這一要求。第四，實驗成本高，實驗的條件難以進(jìn)行掌控。然而，非線性分析在運(yùn)動監(jiān)測領(lǐng)域仍有很大的發(fā)展空間，隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，新的信號處理技術(shù)不斷的應(yīng)運(yùn)而生，數(shù)據(jù)的收集和處理也在變得更加的簡易，當(dāng)然，這些數(shù)據(jù)的可信度也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)實驗驗證。教練員和監(jiān)控人員也可以借鑒醫(yī)學(xué)的實驗處理方法，對運(yùn)動員的心率變異性進(jìn)行定期的非線性分析，和線性分析所展現(xiàn)的趨勢進(jìn)行互相驗證。而在運(yùn)動康復(fù)方面，心率變異性的非線性分析就顯得十分重要，無論是監(jiān)控運(yùn)動員自身的心臟疾病、傷病恢復(fù)期的自主神經(jīng)紊亂亦或是過度訓(xùn)練綜合征，心率變異性的非線性分析無論其監(jiān)控效果還是敏感度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于心率變異性的線性分析。

3 心率變異性在運(yùn)動監(jiān)控中的結(jié)合指標(biāo)

心率變異性是監(jiān)控運(yùn)動員訓(xùn)練過度和過度訓(xùn)練的有效工具[15]。其最大的優(yōu)點就是在運(yùn)動環(huán)境中非常容易獲取，且不會對運(yùn)動員造成損傷。但是若僅僅依靠心率性對運(yùn)動員進(jìn)行監(jiān)控，那它會存在著一定的局限性。心率變異性可用于反應(yīng)急性疲勞，但在用于反應(yīng)慢性疲勞時，那么它的敏感度將會變得非常低。因此，只有將心率變異性與其他相關(guān)指標(biāo)結(jié)合起來才能更好的發(fā)揮作用。

3.1 心率變異性與生理生化指標(biāo)的結(jié)合

生理生化指標(biāo)和心率變異性都是非常有效的可以反映出運(yùn)動員訓(xùn)練和比賽時期內(nèi)部負(fù)荷和監(jiān)控疲勞的指標(biāo)。但是如若只是用其中一種方法，那么便會在監(jiān)控過程中出現(xiàn)問題或引起運(yùn)動員的反感。因此采用生理生化指標(biāo)和心率變異性指標(biāo)結(jié)合是非常有必要的。安楠[16]等通過對女子足球運(yùn)動員進(jìn)行技能狀態(tài)檢測和分析比較也表示心率變異性與血液指標(biāo)相結(jié)合，可以監(jiān)控身體的機(jī)能狀態(tài)，尤其是在監(jiān)控早期疲勞時具有一定的價值。

馬濤[1]在監(jiān)測優(yōu)秀賽艇運(yùn)動員身體技能狀況時，以14名優(yōu)秀男子賽艇運(yùn)動員為研究對象。在訓(xùn)練前1周和14周的賽前訓(xùn)練中，每2周檢測一次心率變異性、兒茶酚胺(CA)和常規(guī)生化指標(biāo)，最終表明心率變異性的部分指標(biāo)與生化指標(biāo)(如：血尿素、血清肌酸激酶、血清睪酮、血清皮質(zhì)醇等)和血漿兒茶酚胺存在顯著關(guān)系。李明月[17]等對8名世居高原的國家競走隊男隊員分成兩隊進(jìn)行測試后得出，A隊在訓(xùn)練后HRV指標(biāo)中SDNN與血尿素(BU)非常顯著性相關(guān)，LF與血尿素顯著性相關(guān)；B隊員訓(xùn)練后 HRV 指標(biāo)中 LF/HF，HFn，LFn與BU指標(biāo)顯著性相關(guān)。也就意味著心率變異性各指標(biāo)與血尿素之間的結(jié)合是可行的并且具有很大的實踐意義。而賀業(yè)恒等更是進(jìn)一步證實了這種結(jié)合的可行性，他通過對競走運(yùn)動員進(jìn)行測試，證實了心率變異性結(jié)合血清尿氮素(BUN)、血清肌酸激酶(CK)等生化指標(biāo)，可對運(yùn)動員得訓(xùn)練強(qiáng)度適應(yīng)性做出有效評價，也可通過對心率變異性在訓(xùn)練過后的不同時間進(jìn)行分析，觀察運(yùn)動員對訓(xùn)練負(fù)荷的適應(yīng)情況。

在生理生化指標(biāo)方面，有很多的指標(biāo)是可以結(jié)合心率變異性使用的。這已經(jīng)被很多學(xué)者證實是可行的，而且可操作性非常大。但是，在測量的過程中教練員需要特別注意的是，因為其他因素引起的相關(guān)生理生化指標(biāo)的異動。當(dāng)然，還需要注意的是，有些生理生化指標(biāo)可以通過一些體液來獲得(如唾液、汗液等)，這樣就可以盡可能的避免對運(yùn)動員造成的損傷，但這些指標(biāo)必須要被實驗驗證過與血液中的指標(biāo)變化相同或具有一定的相關(guān)性，才可以做運(yùn)動員的監(jiān)控指標(biāo)。

3.2 心率變異性與運(yùn)動員自感疲勞等級(RPE)的結(jié)合

監(jiān)控運(yùn)動員的內(nèi)部負(fù)荷單純使用一種方法的局限性是非常大的，教練員或相關(guān)人員應(yīng)該意識到這種局限性。單純使用心率變異性無法提供運(yùn)動員訓(xùn)練過程之中各個方面的信息，為了獲得更全面的內(nèi)部負(fù)荷信息，教練員或相關(guān)人員應(yīng)該將心率變異性與其他監(jiān)控工具，例如RPE結(jié)合使用[19][20][21]。有研究發(fā)現(xiàn)，實施RPE和心率監(jiān)控指導(dǎo)的間歇性循環(huán)訓(xùn)練方法，疲勞發(fā)生的概率最小，運(yùn)動成績表現(xiàn)最好。

RPE量表是由Gunnar Borg設(shè)計，用來測量訓(xùn)練中個體主觀努力的差異性。目前階段在運(yùn)動監(jiān)控之中常用的RPE量表主要由Borge6-20量表[22]、分類比值RPE等級量表(CR-RPE)[23]、CR-RPE(CR-100)量表[24]等。最常用的Borge6-20量表主要與心率有關(guān)，研究者通常將量表得分乘以10，用來表示運(yùn)動強(qiáng)度所對應(yīng)的心率。分類比值RPE等級量表也被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動監(jiān)控之中，有研究表明，分類比值RPE 等級量表與心率之間存在著一定的相關(guān)性[25]。但是一篇Meta[26]分析表明RPE與心率之間的相關(guān)系數(shù)為r=0.62，這表明這種相關(guān)性好像并不如想象的那么明顯。但是，對于疲勞呈現(xiàn)出非線性反應(yīng)的團(tuán)隊高強(qiáng)度運(yùn)動項目，分類比值RPE量表或許會有更好的表現(xiàn)和監(jiān)控的靈敏度。同時分值從0-100的CR-RPE(CR-100)量表也被教練員和監(jiān)控著越來越多的使用[27]。CR-RPE(CR-100)量表分值范圍是0～100，因為其分值范圍更廣，對于其中的努力程度所使用的的語言描述也就相應(yīng)的更多，因此，在某種程度上，它針對于運(yùn)動員的監(jiān)控會相對更靈敏。當(dāng)然，在目前階段所使用的的量表并非只有以上幾種，有學(xué)者嘗試開發(fā)速度感知量表[28]、有學(xué)者用RPE量表測定呼吸用力程度[29]，有用RPE來測量特定運(yùn)動時期的肌肉募集情況[30]、還有Session RPE量表[31]、OMNI RPE量表[32]等。

這些量表都可以很好的應(yīng)用于運(yùn)動監(jiān)控之中與心率變異性結(jié)合使用，而且每種量表的有效性都有被證實過。但是每種量表在應(yīng)用時都并不是適合所有情況，每種量表都有其適合的應(yīng)用時期、項目或運(yùn)動員。這就要求教練員或者監(jiān)控人員根據(jù)已經(jīng)發(fā)表和實驗過的量表進(jìn)行參考、驗證和修改，以達(dá)到適合自己在運(yùn)動監(jiān)控之中的需求。

綜上所述，目前在運(yùn)動訓(xùn)練和比賽中的內(nèi)部負(fù)荷監(jiān)控，無論是心率變異性指標(biāo)、生理生化指標(biāo)還是RPE相關(guān)量表都可以很好的作為監(jiān)控運(yùn)動員訓(xùn)練負(fù)荷和疲勞的有效手段，但是若僅使用其中一種監(jiān)控手段，那么對于運(yùn)動員監(jiān)控將會有非常大的局限性。因此，只有結(jié)合使用起來互相印證、互相補(bǔ)充才能全方位全過程的對運(yùn)動員進(jìn)行有效的監(jiān)控。心率變異性在與其他指標(biāo)結(jié)合使用時，需要每周至少三天、測定每周平均值，這種長期測量可以評估運(yùn)動員對訓(xùn)練負(fù)荷的適應(yīng)性和功能狀態(tài)的變化。當(dāng)然，心率變異性指標(biāo)在與其他指標(biāo)在結(jié)合使用過程中，教練員也要考慮其它影響因素，例如：晝夜變化、測定時間的一致性、壓力、藥物等，否則數(shù)據(jù)測量的不準(zhǔn)確將會直接影響監(jiān)控的有效性。

4 結(jié)論

1.心率變異性各指標(biāo)反應(yīng)的情況不同，需要根據(jù)項目、環(huán)境等因素的變化，去篩選最適宜的監(jiān)控指標(biāo)。

2.心率變異性的分析方法分為時域分析、頻域分析、時頻分析與非線性分析，需要根據(jù)不同的情況以及需要選擇最合適或最經(jīng)濟(jì)的處理方法。

3.心率變異性應(yīng)與不同的監(jiān)控指標(biāo)結(jié)合使用，互相驗證，避免出現(xiàn)因特殊情況發(fā)生的數(shù)據(jù)偏差。