应用心率变异性指标评价优秀耐力运动员机能状态研究进展

崔小珠，王人卫



应用心率变异性指标评价优秀耐力运动员机能状态研究进展

崔小珠1，2，王人卫1

心率变异性(Heart Rate Variability,HRV)分析是监测个体训练适应性的无创伤便捷方法。HRV数据反映的副交感神经活性可以提示机体对耐力运动的消极或积极适应性信息。然而，该领域的研究对象多数是普通运动人群，优秀运动员较少，并且，HRV数据采集方法、指标选择及评价标准相对不统一。目前，可靠性较高的分析指标R-R间期差值均方根的自然对数(Ln rMSSD)被应用于评价优秀耐力运动员的运动能力及疲劳反应，且多日Ln rMSSD均值被用来解释如何纵向理解个体HRV基本图谱。

心率变异性； 优秀运动员；耐力；可靠性

1 前言

心率变异性(Heart Rate Variability,HRV)信号包含了大量神经体液因素对心血管系统的调节信息。通过检测安静或运动后HRV指标，分析运动训练过程中的心血管系统压力和洞察运动后生理恢复过程，是目前监控运动个体自主神经状态和运动适应性非常有潜力的方法[15]。因此，HRV指标一段时间以来被广泛应用于运动训练周期安排、运动负荷设计及恢复质量评价等方面。通常在评价运动员体能水平时，认为出现过度训练或不适应反应与迷走神经活性降低有关；而体能储备良好或运动能力增加时，更多的与迷走神经活性增加正相关[1,14]。根据近期报道，该观点可能对于具有长时间运动经历的优秀运动员并不完全适用，并且对普通健身者或中等水平运动员的研究结果也不完全一致。本研究的目的是从阐述数据采集方法及指标选择对HRV分析的影响入手，探讨如何合理利用HRV指标评价优秀耐力运动员的训练状态。

2 运动员HRV数据采集方法及分析指标的可靠性

HRV指标每天都发生不同程度的变化[2]。研究者可以选择睡眠、安静或者运动后的HRV指标，但是各种状态和分析方法都存在利弊。不同指标对体能、运动负荷和运动能力的敏感性也不相同[11,13]。最近的研究显示，环境因素和血液动力学的急性改变都可能影响每一个数据点。有研究者为避免日间活动影响，进行夜间HRV数据采集。但这种测量的可靠性被认为是中等程度[35,43]，因为夜间声音、光线或者心理压力对心脏自主控制均有影响。Buchheit等人曾改用慢波睡眠阶段分析HRV稳定性和分离程度[8]。结果显示，这种方法仅在普通运动员常规训练阶段比较容易实施。因为高水平运动员长期夜间佩戴心率(HR)采集装置可能会影响睡眠质量，往往不被运动员在比赛前所接受，也导致优秀运动员实际应用的研究报道缺乏。

目前，HRV数据收集最常用的方法是清晨清醒平卧位状态下5～10 min。尽管文献中经常有坐位和站立位的报道[44]。相比较而言，大部分运动员似乎更喜欢平卧位测量。有些甚至采用晨醒后舒适的坐姿，以防止运动员再次入睡。晨醒安静测量可以克服夜间记录的局限性，又具有标准环境(同一时间，安静环境，无日间活动影响)。尽管有些分析结果与夜间记录相比，出现不一致甚至相反结论，但随着HRV研究的进一步深入和样本量的增加，晨安静HRV测量方法的敏感性会更加清晰和有效。HRV指标的应用都是建立在R-R间期测量的基础上。对于优秀运动员身体机能的检测采用5 min短程分析，更重视与运动疲劳相关的迷走神经活性指标。HR表收集R-R间期数据在优秀职业运动员中较常使用，而不是医院或实验室使用的心电仪器。一般方法是，运动员晨醒后，佩戴HR表，安静卧床7～8 min后，结束测试。之后在相应软件中截取稳定的5 min数据进行分析。在频域分析中均含有回归分析法(AR)和傅里叶转换法(FFT)的功能，可以自动生成5 min总功率(TP)、高频功率归一化值(HFnu)等。

有研究者认为，时域方法比频域方法的错误程度更低,例如,时域分析指标RR间期差值均方根的自然对数(Ln rMSSD)和频域分析HFnu都被用来反映迷走神经活性，前者是连续相邻正常心动周期值的均方根对数，受其他因素的影响较少，其变异系数(CV)为12.3%，而后者CV高达52%[2]。因此，评价运动适应性应该只选择少数稳定性高，甚至一种迷走神经衍生的HRV分析指标。长期应用HRV监控运动员体能状态的Plews等人[42]选择Ln rMSSD作为最实用的HRV参数，并给出多方面的理由：1)Ln rMSSD不会受到呼吸频率的影响，该特点区别其他HRV频谱指标，也非常适合非卧位测量[37]，具有较好的操作性；2)Ln rMSSD可以捕捉短期阶段内的副交感活性水平，这对于运动员及时评价非常有价值[21]；3)Ln rMSSD在EXCEL中非常容易计算[4]。作者认为，HRV的相关文献中出现的许多模棱两可的结果可能是因为HRV数据灵敏度高，易受影响以及选择的分析指标不统一。因此，在本研究中所有描述的HRV指标均为与迷走神经相关的数据。所有记录均是清醒平卧6min过程中截取的5min时段HRV数据。

3 优秀耐力运动员与普通运动人群的HRV表现差异

在普通运动人群中，耐力训练2周、6周或9周均显示有氧能力和HRV的平行上升[32]。但如果运动负荷提高到100%个人最大负荷，HRV可能会降低。例如，Buchheit等人[11]报道最大有氧速度跑和10 km跑成绩的提高与安静时HRV增加有中等相关或高度相关。但这种结果仅限于普通训练人群经过一段时间的耐力运动后，而优秀运动员的表现则非常不同。与一般水平训练者相比，具有高强度运动经历的优秀运动员在中等和大运动负荷运动后，HRV分别显示增加和降低，并且对训练的反应个体差异较大[11,27,32]，例如HRV增加时，最大摄氧量水平并没有增加；而有些运动员体能下降、运动能力减弱时，HRV反而高于基础水平[27]。

对特定的阶段，例如赛前调整期(逐步减少整体运动负荷，包含少量高强度内容)，以下几篇报道认为该阶段HRV多会出现反弹现象。对中等运动水平游泳和长跑运动员进行3周超负荷训练，HRV水平较基线分别降低22%[17]和38%[38]。随后2周进入调整期，游泳运动员减少运动负荷至之前的69%，HRV恢复并超过基线水平7%；而长跑运动员减少训练负荷至之前40%的1周后，HRV恢复至基线水平。但是有些优秀耐力运动员从超负荷运动阶段进入赛前调整期，运动负荷下降，运动能力呈上升趋势，但HRV仍低于基线水平。

综上所述，应用HRV评价运动适应性，优秀运动员可能与普通训练者或中等水平运动员有较大的差异，在分析方法和评价标准上应有所区分。

4 HRV与过度训练反应

HRV指标变化反映自主神经系统平衡的功能，常常被教练员和职业运动员用于超负荷运动阶段，监控疲劳程度，期望获得赛前的超量恢复，同时预防过度训练的发生。我们所理解的超负荷训练阶段的轻度疲劳症状(overreaching,OR)，是指经历一段时间强化训练后，导致短期再生能力或者恢复能力不平衡导致疲劳感增加、运动能力下降等消极表现[33]。OR在优秀运动员的训练周期中是非常重要的内容，但长时间的OR会导致运动员进入非机能性疲劳(non-functional overreaching，NFOR )。NFOR阶段被认为运动能力在几周或者几个月时间内不能恢复，更为严重的将产生过度训练(overtraining,OT)，症状包括自主神经调节失衡，甚至对心血管调控的功能紊乱[19,46],表现为胸前区疼痛、呼吸频率变化、低血压等，部分运动员还出现睡眠障碍、尿频等症状。

迄今为止，NFOR和OT阶段关于HRV变化的研究结果非常不一致。早在2000年，Uusitalo等人报道，运动员分别经历6周和9周的大负荷运动后，出现OT症状时，HRV指标表现为降低[46]。在随后几年的研究文献中，Mourot也认为过度训练时交感神经占优势，运动员安静HRV可能会发生TP、低频功率(LFnu)、HFnu、rMSSD以及均值标准差(SDNN)等的明显降低[16,24]。但是Hedelin等人提出不同看法[24]，该作者对越野滑雪运动员的研究报道显示，大负荷训练后导致运动员训练呼吸困难，睡眠障碍等外周及中枢疲劳症状，比赛能力下降，而安静状态的HRV频域分析HF和TP值均出现增高。HF的上升伴随着晨脉降低，提示运动员过度训练中的副交感神经调节增强。另外，Hedelin在研究优秀皮划艇运动员时发现，超负荷运动后，大部分运动员摄氧量降低，疲劳指数增加，但HRV并没有变化[23]。Halson的研究支持了Hedelin对皮划艇运动员的观点，认为有些运动员即使出现OT的生理学症状,但HRV并没有发生变化，甚至没有影响实际运动能力[20]。

鉴于以上不同结果，Plews提出，循环分析每周7天HRV指标变化似乎比单日数据更合理。因为连续多周的HRV数据采集，可以更加准确判断运动员是否处于NFOR；如果周平均HRV低于基线水平，则提示NFOR的存在。相比较而言，单日数据可能会发生误导(例如，运动员比赛阶段发生HRV降低，并不一定产生NFOR)。并且有些项目，如10km跑的数据显示，运动能力与周HRV变化有高度相关，而与单日数据无相关性[41]。这提示连续多日的晨安静HRV数据提供了比单日HRV数据更稳定更连续的自主神经平衡状态。同样，Stanley[45]最近研究表明，当优秀运动员适应当前运动负荷时，晨安静HRV数据波动幅度较小，周曲线相对平坦。

产生以上现象的另一原因是，在使用HRV评价自主神经系统状态的研究中通常会误认为，HRV迷走相关指标与迷走神经对HR的影响之间的关系是线性的。而目前在对优秀耐力运动员HRV的研究中，两者的关系呈“倒U型”关系，而不是通常认为的线性关系[32,39]，且与当时的体能贮备或者体能状态高度相关[11,12]。优秀运动员的训练计划包含大运动负荷和相对有限的恢复时间。这往往把运动员推向OR和NFOR之间，来获得最大可能的超量恢复和比赛时高体能储备。但是，关于优秀运动员研究报道数据非常少，多数是休闲运动或者业余运动员。由于训练背景不同，优秀运动员对训练压力和之后的恢复反应会有所不同[5]。有研究者认为，尽管在疲劳诊断的评价标准上有分歧，HRV的增加或降低仍然是机体对耐力训练的积极适应性[3,13]或消极适应性的体现[26]。下面通过描述奥运级别运动员的HRV案例，拟分析优秀运动员对训练适应性的不同HRV表现。

5 优秀耐力运动员在不同阶段的HRV表现

5.1 优秀耐力运动员迷走神经张力与HRV表现的理论基础

Goldgerger提出HRV的迷走相关指标与迷走神经对HR的影响之间的关系可能是平方关系[18](图1),或者说是“倒U型”关系。图中高频率功率自然对数(ln HF)反映迷走神经张力，在较高HR(迷走神经低活性)和较低HR(迷走神经高活性)时，HRV数值都是可能降低的。换言之，在优秀耐力运动员可能会出现的低安静HR和上升的HRV曲线，也可能出现低HR和低HRV值[30]。对于后者现象的理论解释，低HR的HRV降低是因为迷走神经相关HRV指标在秒级周期中，反映副交感神经对抗交感神经紧张优势的调整强度[25]。这种潜在的机制是在心肌细胞水平的乙酰胆碱受体饱和，更强的迷走神经张力可能会提高维持副交感神经对窦房结的控制能力，以此来缓解呼吸性心律调节和降低的HRV[31]。如果是应用HRV评价运动员训练状态，该特点必须引起重视。运动员在调整期可能会出现低安静、HR低HRV的“饱和现象”[8]，即指当低HRV时，部分反映迷走神经活性的指标会显示为0%；而HRV较高时，指标显示为100%。就是说，在某些运动阶段，HRV降低，并不一定提示自主神经压力或者NFOR[6,7]，还应该根据安静HR变化来评价HRV降低是否是“饱和现象”的结果。

图1 不同年龄R-R间期与HRVLn HF的回归分析示意图[18]

5.2 Ln rMSSD /R-R比值的应用

为了减少各种因素，包括“饱和现象”，对HRV指标在评价迷走神经活性过程中的影响，Plews的近期研究中，尝试使用Ln rMSSD /R-R比值反映迷走神经调节功能。作者认为该比值可以通过Ln rMSSD变化反映迷走神经张力，同时，R-R间期也间接反映迷走神经调整心脏功能两方面的变化[9,40]。文中比较分析2名运动员在同一国际比赛前调整期HRV数据，运动表现优异的A运动员Ln rMSSD 降低，而Ln rMSSD /R-R下降到基线水平以下，该作者认为可能是低HRV低HR的“饱和现象”，提示赛前并无真正的疲劳发生。然而，表现较差的运动员B同样出现Ln rMSSD 的降低，与运动员A不同的是Ln rMSSD /R-R比值的增加，该现象可判断为迷走神经张力和调整功能减弱，其原因是运动员B对之前超运动负荷的不适应和交感神经活性过高。另外一项应用该比值评价体能状态的报道中，研究对象为4名获得奥运奖牌的女子铁人三项运动员，目的是比较有效训练阶段和NFOR阶段Ln rMSSD及R-R比值的差异。其中一名运动员出现NFOR症状，但Ln rMSSD/R-R比值曲线被同样被认为是属于HRV“饱和状态”，运动能力维持在较高水平。该作者认为，HRV的是运动员“个体化”信息，或者说是自身特殊的心脏自主状态和敏感HRV指标之间关系[18]。4名运动员赛前9周安静Ln rMSSD/R-R比值曲线并不相似，但比赛中均表现出较好的运动状态，取得奖牌。

在普通和业余人群HRV的降低往往与疲劳或者NFOR有关[9]。但是，独立单日的HRV数据应该被慎重考虑[40,41]。使用周平均Ln rMSSD和Ln rMSSD/R-R比值可能会更准确的解释各种疲劳症状。

5.3 优秀运动员赛前HRV变化及与运动能力的关系

有研究认为，HRV的反弹与运动能力提高有关[26]。但随着对高水平运动员研究的增加，及目前体能状态与HRV的非线性相关关系的显现，意味着这种观点受到质疑。以下实例研究阐述了赛前阶段优秀运动员HRV与运动能力的复杂关系。

3名参加世界锦标赛和奥运会的赛艇运动员，赛前准备期高强度训练每周18 h和17 h左右。在比赛前1～2周进入调整期，此阶段HRV曲线较基础值升高或者维持在基线范围内[42]。该作者认为大运动负荷后，赛前调整阶段HRV增加，提示运动员执行合理运动负荷后产生积极的适应性反应，也可能与良好的运动能力有关。相反，Iellamo等人报道的优秀耐力运动员在调整期，少量高强度运动后，晨安静HRV有小幅度不明显的降低，但比赛中运动员仍然维持较高的运动水平[27]。这些世界级优秀运动员数据非常清楚的说明，较低的HRV并不一定提示体能和运动能力受到影响[22]。有学者对HRV降低的原因作出如下分析；赛前调整是典型的低负荷和少量高强度训练内容。运动负荷的降低导致血容量减少，相应地HRV降低[10]。并且尽管是少量高强度训练刺激，在理论上仍然可能维持交感神经活性优势，表现为HRV迷走神经相关指标数值降低[29]。另外一种解释HRV降低，可能是赛前压力导致的交感神经活性增加；赛前焦虑影响自主神经平衡已在多项研究中被报道[28]。因此，调整期较低的HRV并不是一定提示疲劳的发生，应结合训练状态和其他评价指标进行综合分析。

HRV监控近期也被应用于“运动能力预测”。Parouty认为，副交感神经活性与强度训练负荷有关，上升的HRV水平可能缓解运动过程中的心动过速，但也可能限制氧的运输和运动能力[36]。另外，交感神经活性增加促进外周适应性，例如动员能力。因此，假设在赛前调整阶段副交感活性降低或交感活性增加，那么兴奋性增加是合理的，但很难确定是否有充分的体能储备。另一种观点认为，赛前调整期整体负荷的减少，使运动员从轻微疲劳状态进入超量恢复阶段，使中长距离项目获得更充分的体能储备，HRV指标表现是略高于基础值的水平。本研究认为，赛前HRV变化取决于赛前准备期及调整期的运动负荷及强度，并且与随后进行的比赛项目类型有关；中等距离的耐力运动需要较快的动员能力，而类似马拉松、公路自行车等项目的运动表现与体能储备更直接相关。因此，更多研究需要建立在“为什么优秀运动员在赛前HRV是以该种方式变化，怎样的变化可以预测最佳的运动能力”等等方面。

6 结论

安静状态下，HRV迷走神经相关指标在耐力运动中是非常有潜力的监控工具。HRV蕴含的是“个体化”信息，并且与运动员自身体能水平和运动背景直接相关。尽管许多赛前调整期报道的数据显示，优秀运动员可能与部分中等训练水平的运动员HRV变化相似，但重视不同背景运动员的适应性反应差异是非常重要的。因此，合理应用HRV指标监控运动员身体机能，需要进行阶段性的纵向采集，如包括每周或多日滚动的平均值分析，比较个体基线水平来显示疲劳或体能状态的改变[10]。另外，在HRV数据采集方法和指标选择上，晨安静状态下HRV指标分析似乎更合理，Ln rMSSD及Ln rMSSD/ R-R比值可能是相对可靠和实用的长期监控方法。优秀运动员赛前周或多日HRV均值在基线水平或增加可能提示机体对运动负荷积极适应的信号；但对于某些运动项目，如果大赛前HRV均值降低，并不代表一定与运动疲劳有关。更清晰地理解HRV与运动能力的关系需要进一步研究。

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Heart Rate Variability and the Assessment of Elite Endurance Athlete

CUI Xiao-zhu1，2,WANG Ren-wei1

Measures of heart rate variability (HRV) are often considered a convenient non-invasive assessment tool for monitoring fatigue and fitness,which was direct implication for adjusting individual adaptation to training.However,much of the research in changes of HRV has involved recreational and amateur athletes,with few studies conducted in elite athletes.Additionally,it is important to be focus on the inaccuracy of the acquisition of HRV data and the selection of index.The natural logarithm of the square root of the mean sum of the squared differences between R-R intervals (Ln rMSSD ) was preferred to assess the performance and the fatigue in elite athletes,which showing how these indices can be practically applied to explain the basic figures of the individual one.

heartratevariability；eliteathlete；endurance；reliability

2015-04-21；

2015-12-08

上海市人类运动能力开发与保障重点实验室项目 (11DZ2261100)；上海市科研计划资助项目 (14231202100)。

崔小珠(1971-)，女，浙江宁波人，助理研究员，在读博士研究生，主要研究方向为环境与运动生理学，Tel：(021)64880712,E-mail:cxzh1105@163.com。

1.上海体育学院 运动科学学院，上海 200438；2.上海体育科学研究所，上海 200030 1.Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China；2.Shanghai Research Institute of Sports Science,Shanghai 200030,China.

1000-677X(2015)12-0075-05

10.16469/j.css.201512010

G804.49

A