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ISSN1672-4305 CN12-1352 / N LABORATORY SCIENCE 20 2017 Vol 20 No 2 Apr 2017 HRV 应用于运动性疲劳判断实验教学的探究 袁春平吴钰祥江汉大学 体育学院湖北 武汉 430056为探究受试者在疲劳试验前后其 HRV 的变化特征探讨 HRV 是否可作为一项可靠 指标用于评定或佐证运动性疲劳的发生选取 名优秀中长跑田径运动员为受试者测试和 比较其疲劳试验前后 HRV 的时域频域和非线性指标结果受试者 HRV 时域指标 (SDNN、 RMSSD、 PNN50) 在疲劳试验后均下降且与试验前比较有显著差异频域指标 (LFn、 LF / HF) 在疲劳试验后均升高HFn 在疲劳试验后下降且与试验前比较均有显著 差异非线性指标 (SD1、 SD2) 在疲劳试验后均下降其中 SD1 的变化有显著差异疲劳试 验前后频域指标功率谱图和非线性指标 Poincare 散点图均出现明显的变化结论运动性 疲劳时受试者 HRV 受到明显抑制而减小短时变异减少明显心交感神经活动加强副交 感神经活动减弱在两者间的平衡中交感神经活动占明显优势。 HRV 可考虑作为一项可靠的 生理检测指标用于评定或佐证运动性疲劳的发生进而拓展运动性疲劳的判断的实验教学关键词HRV; 运动性疲劳交感神经副交感神经 中图分类号G852 文献标识码doi10.3969 / j.issn.1672-4305.2017.02.003 Research on the application of HRV in the evaluation of exercise fatigue for experimental teaching SONG Tao, YUAN Chun-ping, WU Yu-xiang, LI Yi, WU Ping (School of Physical Education, Jianghan University, Wuhan 430056, China) Abstract: To explore the change of HRV before and after fatigue test, and investigate whether HRV can be used as a reliable indicator for assessing or supporting the occurrence of exercise fatigue. 9 out⁃ standing middle and long distance runners are selected as subjects, testing and comparing the time do⁃ main, frequency domain and nonlinear indexes of the HRV before and after the fatigue test. Results: The time domain parameters ( SDNN, RMSSD, PNN50) of the subjects were decreased after fatigue test, and there was a significant difference before and after the test. Frequency domain parameters (LFn, LF / HF) were all increased after fatigue test, and there was a significant difference before and after the test, compared with LFn and LF / HF, the change of HFn is diametrically opposite. Nonlinear parameters ( SD1, SD2) decreased after fatigue test, and there were significant differences in the changes of SD1. Before and after fatigue test, the power spectrum of the frequency domain and the Poincare scatter plots are all changed obviously. Conclusion: The HRV of subjects were significantly inhibited when in fatigue, short term variation decreased significantly, cardiac sympathetic activity is enhanced and parasympathetic activity is decreased and the balance toward a predominance of the sym⁃ pathetic over the parasympathetic. HRV can be considered as a reliable physiological test index for e⁃ valuating or supporting the occurrence of exercise fatigue, and further expand the experimental teaching of the evaluation of exercise fatigue. Key words: HRV; exercise fatigue; sympathetic; parasympathetic

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  •  ISSN1672-4305CN12-1352 / N

    实    验    室    科    学LABORATORY  SCIENCE

    第 20 卷  第 2 期  2017 年 4 月Vol 20  No 2   Apr 2017

    HRV 应用于运动性疲劳判断实验教学的探究

    宋  涛, 袁春平, 吴钰祥, 李  奕, 吴  平(江汉大学 体育学院, 湖北 武汉  430056)

    摘  要: 为探究受试者在疲劳试验前后其 HRV 的变化特征, 探讨 HRV 是否可作为一项可靠指标用于评定或佐证运动性疲劳的发生。 选取 9 名优秀中长跑田径运动员为受试者, 测试和比较其疲劳试验前后 HRV 的时域、 频域和非线性指标。 结果: 受试者 HRV 时域指标(SDNN、 RMSSD、 PNN50) 在疲劳试验后均下降, 且与试验前比较有显著差异; 频域指标(LFn、 LF / HF) 在疲劳试验后均升高, 而 HFn 在疲劳试验后下降, 且与试验前比较均有显著差异; 非线性指标 (SD1、 SD2) 在疲劳试验后均下降, 其中 SD1 的变化有显著差异; 疲劳试验前、 后频域指标功率谱图和非线性指标 Poincare 散点图均出现明显的变化。 结论: 运动性疲劳时, 受试者 HRV 受到明显抑制而减小, 短时变异减少明显, 心交感神经活动加强, 副交感神经活动减弱, 在两者间的平衡中交感神经活动占明显优势。 HRV 可考虑作为一项可靠的

    生理检测指标用于评定或佐证运动性疲劳的发生, 进而拓展运动性疲劳的判断的实验教学。关键词: HRV; 运动性疲劳; 交感神经; 副交感神经中图分类号:G852    文献标识码:A    doi:10.3969 / j.issn.1672-4305.2017.02.003

    Research on the application of HRV in theevaluation of exercise fatigue for experimental teaching

    SONG Tao, YUAN Chun-ping, WU Yu-xiang, LI Yi, WU Ping(School of Physical Education, Jianghan University, Wuhan 430056, China)

    Abstract: To explore the change of HRV before and after fatigue test, and investigate whether HRVcan be used as a reliable indicator for assessing or supporting the occurrence of exercise fatigue. 9 out⁃standing middle and long distance runners are selected as subjects, testing and comparing the time do⁃main, frequency domain and nonlinear indexes of the HRV before and after the fatigue test. Results:The time domain parameters (SDNN, RMSSD, PNN50) of the subjects were decreased after fatiguetest, and there was a significant difference before and after the test. Frequency domain parameters(LFn, LF / HF) were all increased after fatigue test, and there was a significant difference before andafter the test, compared with LFn and LF / HF, the change of HFn is diametrically opposite. Nonlinearparameters ( SD1, SD2) decreased after fatigue test, and there were significant differences in thechanges of SD1. Before and after fatigue test, the power spectrum of the frequency domain and thePoincare scatter plots are all changed obviously. Conclusion: The HRV of subjects were significantlyinhibited when in fatigue, short term variation decreased significantly, cardiac sympathetic activity isenhanced and parasympathetic activity is decreased and the balance toward a predominance of the sym⁃pathetic over the parasympathetic. HRV can be considered as a reliable physiological test index for e⁃valuating or supporting the occurrence of exercise fatigue, and further expand the experimental teachingof the evaluation of exercise fatigue.Key words: HRV; exercise fatigue; sympathetic; parasympathetic

  • 宋涛,等:HRV 应用于运动性疲劳判断实验教学的探究

        运动性疲劳是指机体不能将它的机能保持在某一特定水平,或者不能维持某一预定的运动强度[1]。 运动性疲劳的判断作为运动生理学课程的一项基础性实验项目,目的在于使学生掌握运动性疲劳的生理指标测定与评定的方法,并通过对运动性疲劳的正确判断,学会合理安排运动负荷,防止过度疲劳的发生[2]。 目前常用的判断疲劳的方法有生理指标测定法、自我感觉和观察评定法[1]。 其中,应用较成熟的生理指标包括:反应时、呼吸肌力量耐力、膝反射阈、血压体位反射、皮肤空间阈、闪光融合频率、肌电等。 而近年来,国内外学者围绕心率变异性(Heart Rate Variability,HRV)在运动训练监控中的应用已开展了大量研究,HRV 是指窦性心率在一定时间内有节律的波动过程中各次心动周期之

    间的微小差异。 它产生于自主神经系统对心脏窦房结的调节,可间接反映心脏自主神经系统的平衡,并为评估交感和副交感神经系统的状况及二者的相互

    作用提供参考[3]。 目前,有研究认为 HRV 与运动性疲劳存在关联,Leti 等认为运动疲劳与自主神经系统的调节能力高度相关,HRV 可用于追踪监控和指导运动训练[4]。 安楠等的研究显示以 HRV 为原理的自主神经疲劳检测是辅助诊断女足运动员高原

    训练身体状态的有效方法,与血液指标相结合,可以全面监控身体状态,特别是对于提示早期疲劳具有一定的应用价值[5]。 本文将探究受试者在疲劳试验前后其 HRV 的变化特征,探讨 HRV 是否可作为一项可靠指标用于评定或佐证运动性疲劳的发生,以期拓展和完善运动性疲劳的判断的实验教学。

    1  对象与方法

    1.1  研究对象以 9 名优秀中长跑田径运动员为受试者,其基

    本信息见表 1。

    表 1   受试者基本信息

    身高

    (cm)体重

    (kg)训练

    年限(年)

    男 9 21.9±0.9 175.3±5.2 62.2±2.5 5.6±0.7

    1.2  运动性疲劳模型的建立测试时,受试者佩戴 Polar RS800CX 型心率表,

    静坐至心率稳定后记录 5 分钟心率。 之后开始疲劳试验,采用跑台递增负荷运动方案(见表 2),受试者从第 1 级负荷(速度 9.0 km / h,坡度 0%)开始运动,之后每分钟速度递增 0.8 km / h,坡度保持不变,至速

    度达 17.8 km / h 时,速度不再增加,而坡度每分钟递增 1%,最大负荷设为速度 17.8 km / h,坡度 4%。 受试者按此方案进行运动,直到跟不上跑台速度为止。并于运动结束后即刻记录 5 分钟坐姿心率。

    表 2   跑台递增负荷运动方案

    时间(min) 速度(km / h) 坡度(%)

    1 9.0 0

    2 9.8 0

    3 10.6 0

    4 11.4 0

    5 12.2 0

    6 13.0 0

    7 13.8 0

    8 14.6 0

    9 15.4 0

    10 16.2 0

    11 17.0 0

    12 17.8 0

    13 17.8 1

    14 17.8 2

    15 17.8 3

    16 17.8 4

    1.3  HRV 分析指标HRV 分析指标见表 3 所示。

    表 3  HRV 指标

    分析方法 分析指标 指标意义

    SDNN 反映心率变异总的变化时域分析 RMSSD 反映副交感神经的活动

    PNN50 反映心率变异大小

    LF;LFn反映交感神经和副交感神经

    的综合调节

    频域分析 HF;HFn 反映副交感神经的调节

    LF / HF反映交感神经和副交感神经

    的均衡性

    非线性分析 SD1反映副交感神经对心脏的调

    SD2反映交感神经和副交感神经

    的综合调节

    注:文中采用 LF 和 HF 的标准化值即 LFn 和 HFn,标准

    化公式:LFn(或 HFn)= 100∗LF(或 HF) / (TP-VLF) [6] 。

    1.4  数据的处理和分析试验结束后,用Kubios HRV 2.1 软件对心率表中

  • 所记录、提取数据进行分析,分别得出受试者疲劳试验前后其 HRV 各指标的详细数据。 并用 SPSS 19.0分别对受试者疲劳试验前、后 HRV 各指标进行配对样本 T 检验,结果以“平均值±标准差”表示,0 01<P<0.05 为显著性差异,P<0.01 为极显著性差异。

    2  结果

    2.1  受试者疲劳试验前后时域指标的变化

    受试者疲劳试验前、后 HRV 时域指标(SDNN、RMSSD、PNN50)的变化见表 4。

    表 4  受试者疲劳试验前、后 HRV 时域指标的变化

    性别人数 状态时域指标

    SDNN(ms)

    RMSSD(ms)

    PNN50(%)

    安静 73.9±32.0 64.6±45.0 35.9±24.0

    男 9

    疲劳 45.2±27.0∗ 8.2±4.8∗∗ 0.0±0.1∗∗

        注:疲劳与安静状态比较,∗ 0.01<P< 0. 05,∗∗ P<

    0 01,下同。

    由表 4 可知,受试者疲劳试验前、后 HRV 时域指标(SDNN、RMSSD、PNN50)的变化较一致,即疲劳试验后均下降。 其中,SDNN 在疲劳状态与安静状态比较有显著差异,RMSSD 与 PNN50 在疲劳状态与安静状态比较有极显著差异。

    2.2  受试者疲劳试验前后频域指标的变化

    表 5   受试者疲劳试验前、后 HRV 频域指标的变化

    性别 人数 状态频域指标

      LFn   HFn   LF / HF安静 55.5±26.3 44.4±26.3 2.5±2.8

    男 9疲劳 87.9±8.1∗∗ 12.0±8.0∗∗ 12.5±12.3∗

    由表 5 可知,受试者疲劳试验前、后 HRV 频域指标(LFn、LF / HF)的变化一致,即疲劳试验后均升高,而 HFn 在疲劳试验后下降。 其中,LFn 和 HFn 在疲劳状态与安静状态比较有极显著差异,LF / HF 在疲劳状态与安静状态比较有显著差异。 反映到功率谱图上,受试者 HRV 频域指标典型变化见图 1 所示。

    安静状态

    疲劳状态

    图 1  受试者疲劳试验前、后频域指标功率谱图的变化

    注:(0 ~ 0. 04Hz):VLF; ( 0. 04 ~ 0. 15Hz): LF; ( 0. 15 ~0 4Hz):HF。

    2.3   受试者疲劳试验前后非线性指标的变化

    表 6  受试者疲劳试验前、后 HRV 非线性指标的变化

    性别 人数 状态非线性指标

    SD1(ms) SD2(ms)安静 45.7±32.0 92.4±36.4

    男 9

    疲劳 5.8±3.4∗∗ 63.5±38.0

    由表 6 可知,受试者疲劳试验前、后 HRV 非线性指标(SD1、SD2)的变化一致,即疲劳试验后均下降。 其中,SD1 在疲劳状态与安静状态比较有极显著差异,而 SD2 在疲劳状态与安静状态比较无显著差异。 反映到 Poincare 散点图上,受试者 HRV 非线性指标典型变化见图 2 所示。

       安静状态                    疲劳状态

    图 2  受试者疲劳试验前、后 HRV Poincare 散点图的变化

    注:SD1 线及其附近的点代表短时变异,SD2 线及其附近的点代表长时变异。

    3  讨论

    受试者在疲劳试验前、后其 HRV 时域指标(SDNN、RMSSD、PNN50)和非线性指标 SD1 呈一致的变化趋势,即在疲劳试验后下降,且将疲劳试验前后各指标比较均有显著或极显著差异,表明受试者HRV 在运动性疲劳时受到明显抑制而减小,短时变异减少明显,心副交感神经对心脏的调节减弱。 这与其他学者的相关研究较为一致,黄传业等发现一次急性耐力运动后 HRV 出现短暂抑制现象[7]。 黄彩华等的研究表明,极限强度运动后,受试者 HRV 时域指标

    01                    

  • 宋涛,等:HRV 应用于运动性疲劳判断实验教学的探究

    显著下降[8]。 Schmitt 等的研究认为疲劳状态下 HRV出现了明显的下降,并表现出较大的个体差异[9]。

    受试者在疲劳试验前、后其 HRV 频域指标(LFn、HFn、LF / HF)的变化表明,疲劳试验后受试者心交感神经活动加强,副交感神经活动减弱,在两者间的平衡中交感神经活动占明显优势。 许多相关研究与此接近或一致,黄彩华等的研究显示极限强度运动后,受试者除了 LFn 和 LF / HF 升高外,其它HRV 频域指标均显著下降[8]。 Hottenrott 等研究显示 LF / HF 比值随运动强度的增加而增大,LFn 值随运动强度增加而增大[10]。 Morales 等认为进行大负荷训练的受试者其自主神经系统出现了失衡,副交感神经的调节减弱了[11]。 Podstawski 等的研究显示排球运动员在测试期间,高水平的体育运动导致心副交感神经紧张度降低,自主神经系统失衡并倾向于交感神经活动占优势[12]。

    由图 1、图 2 可知,受试者疲劳试验前、后频域指标功率谱图和非线性指标 Poincare 散点图均出现明显的变化,频域指标功率谱图由安静到疲劳状态,其低频成分增加明显,高频成分减少明显至几乎为零。 非线性指标 Poincare 散点图在安静状态呈椭圆且分散,在疲劳状态呈细棒状且集中。 这两种图的变化,直观的体现了疲劳试验前、后受试者 HRV 频域和非线性指标的变化,便于观察且易于区分。

    4  结语

    运动性疲劳时,受试者 HRV 受到明显抑制而减小,短时变异减少明显,心交感神经活动加强,副交感神经活动减弱,在两者间的平衡中交感神经活动占明显优势。 频域指标功率谱图和非线性指标Poincare 散点图均出现明显的变化,便于观察且易于区分。 HRV 各指标(除 SD2 之外)在疲劳试验前后均出现明显变化且差异显著,可考虑作为一项可靠的生理检测指标用于评定或佐证运动性疲劳的发

    生,进而拓展运动性疲劳判断的实验教学。

    参考文献(References):

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    收稿日期:2016-09-19修改日期:2016-10-19作者简介:宋涛(1985-),男,河南滑县人,硕士,实验师,主

    要研究方向为体质评价与运动机能监控。(上接第 7 页)参考文献(References):[1]   杨述武.普通物理实验[M].北京:高等教育出版社,2004:39-48.[2]   闫凯,刘晓旭.用激光光源测量凸透镜焦距实验探究[ J] .齐齐

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    [8]   俞挺,顾菊观,邵宗乾,等.用激光法测量凹透镜焦距的探究[J] .物理通报,2011(1):49-50.

    收稿日期:2016-06-20修改日期:2016-08-28作者简介:刘什敏(1982-),女,河南商丘人,硕士,讲师,主

    要研究方向为物理实验教学。

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