心率变异性指标rMSSD用于耐力训练监控研究进展

时雪莹 孔兆伟 聂金雷

1 驻马店幼儿师范高等专科学校（河南 驻马店 463000）

2 澳门大学教育学院（澳门 999078）

3 澳门理工大学健康科学及体育学院（澳门 999078）

操控训练压力及其恢复是提高耐力素质的重要原则，然而，如果不能保持生理适应所需的高训练压力与从这种压力中适当恢复之间的微妙平衡，高训练应激引起的疲劳可能会累积导致运动员进入功能性过量训练（functional overreaching，FOR）状态，如进一步发展可到非功能性过量训练（non-functionally overreached，NFOR）状态，最终甚至导致过度训练综合征[1]。因此，建立能够准确反映运动训练状态的标志物是运动生理学研究的一个热点问题。如果这种标志物可以用于监测训练引起的疲劳或恢复/适应水平，则会有助于精准调整训练负荷，使训练计划个体化[1]。

在运动及其恢复期自主神经系统发挥维持稳态的功能，适度反复暴露在运动压力下会导致生理适应从而减少后续压力对稳态平衡的扰动[1]。因此，评估自主神经对训练负荷变化的反应有助于了解机体耐受或适应运动应激的能力[2]。自主神经的调节可以通过心率变异性来评估，这样理论上心率变异性也可以反映训练状况，但早先的研究结果缺乏一致性[2]。近些年来，便携式心率测试设备特别是可穿戴传感器技术及相关算法的发展促进了此领域的研究，现在已经意识到早先多数研究呈现的矛盾很可能是由于当时对监测中的一些关键问题如分析和解释数据的认识不足有关，这是基于近些年在利用心率变异性监测耐力训练状态和利用监测结果指导耐力训练两方面都有了证据坚实的新认识。本文总结心率变异性应用于耐力训练“监”与“控”两方面的研究进展。

1 rMSSD监测训练的关键问题

一般而言，在训练实践中监测机能状态需要解决的关键问题主要是如何准确收集有意义的数据以及如何合理分析及解释数据。另外，运动员对测试实施的依从性也应着重考虑。

目前一致的观点是用于运动员监测的首选心率变异性参数是反映心脏副交感神经活动的连续相邻R-R间期差的均方根（root mean square of successive RR interval differences，rMSSD）。这是因为与其他心率变异性参数相比，rMSSD 受呼吸频率的影响较小并在测量稳定性和重复性上占有优势[3]。另外，传统的评估心率变异性的标准程序应包括至少5分钟的心率收集期以及在此之前至少5分钟的稳定期[4]。研究已显示，在运动人群，只需1分钟的稳定期以及1分钟的心率收集期即可得到准确的rMSSD值[3，5]，测试耗时短也有利于rMSSD检测实施的依从性。

获取准确的rMSSD 主要取决于使用的仪器测量R-R 间期的准确性。心电图机当然是作为金标准的首选，但长期用于运动员监测并不实用。近些年已验证了准确性与心电图相仿的实用的R-R 间期测量硬件，包括Polar 公司的H7/H10 型心率胸带[6]、Polar 公司的Vantage V2 型腕表[7]和Schosche 公司的Rhythm 24型臂带[8]。值得注意的是，单独利用智能手机借助专门的软件测试得到的rMSSSD 的高效度及信度已得到严谨实验的验证[9]，这给运动员利用rMSSD监测训练提供了极大便利。

收集有意义数据问题涉及选择合适的观察点。由于自主神经活动对环境条件（如噪音、光线或温度）高度敏感，因此应尽量使测试条件标准化，以解析出训练对自主神经功能的影响[2]。目前比较趋于一致的观点是选择早晨刚睡醒时卧位测试，这是因为与其他观察点相比，如运动中及运动后，晨起测试更准确[2]。另外，睡眠中测试一直都被认为可能是理论上的标准化观察点。然而已发现睡眠模式如慢波或快波睡眠会严重影响心率变异性，从而限制了在睡眠中监测的实际应用[10]。不过新近的研究显示，运动员整晚睡眠心率变异性的平均值与他们晨起的测试值高度一致[11]，这提示了一种选择夜间睡眠期监测的方案。然而脱离实验室条件，目前仍缺乏便于运动员及一般锻炼者在日常睡眠中使用的相应软硬件，这值得研究者进一步在不同运动人群验证以及相关厂商跟进。

监测实践中发现，即便是选择了精准的测试仪且也坚持晨起就做测试，心率变异性数据依然有很高的日间变异，这意味着连续几天之间的rMSSD 可以有很大的波动，这个心率变异性的固有特点给解释数据带来挑战[2]。因此，解释数据的第一步是需要能确定哪些变化只是正常日常波动，而哪些变化的确重要或真正反映了对训练的反应或适应。计算最小有意义变化（smallest worthwhile change，SWC）是目前普遍采用的解决方案[2]。多数研究采用的具体计算方法是，在机能稳定的一段时间，通常是2 至8 周，连续测试一名运动员每日晨起rMSSD，计算所有值的平均值及标准差，则最小有意义变化等于标准差×0.5，也就是说，如每日具体值落在“平均值±标准差x0.5”这个最小有意义变化范围内，则应解释为正常波动而不具有监测意义（见图1）[12]。另一个克服心率变异性日间波动大的方法是引入7天滚动平均值（7-day rolling average）的计算，即每日的7天滚动平均值是当日算起近七天rMSSD 的平均值[12]。Plews 等的研究显示，当rMSSD 数据在一周内被平均时，运动员非功能性过量训练的状态被清晰显示，表现为7 天滚动平均值在过量训练期间远低于正常波动范围。然而，当用孤立的单日值分析时，rMSSD数据会导致极大误导，即当运动员训练处于机能状态良好时，很多rMSSD单日值却远低于正常波动范围（见图1）[12]。这表明，与单个孤立的早晨静息rMSSD相比，近7日rMSSD 平均值更能准确反映运动员自主神经平衡的实际变化。Le Meur 等的研究不仅再次证实了最小有意义变化和7 天滚动平均值的监测价值，更为重要的是揭示了当7天滚动平均值高于正常波动范围时的监测意义，即反映了运动员处于功能性过量训练[13]。这样，Plews等[12]和Le Meur等[13]的这两项研究相互验证和补充，从而建立了rMSSD 监测训练中分析与解释数据的原则是逐日每天测试晨起卧位rMSSD并依据7 天滚动平均值落在最小有意义变化范围的位置解释训练状态。

图1 两名运动员晨起卧位rMSSD监测训练状态示例[12]

2 rMSSD指导训练的实证研究

2007 年Kiviniemi 等首次测试了心率变异性在耐力运动处方中的效用[14]，发现与常规训练相比，心率变异性指导的训练提高最大跑速幅度更大，且只有心率变异性指导的训练显著提高了最大摄氧量。这是首次发现心率变异性指导的训练在耐力训练效果上有优势[14]。此后随着对心率变异性监测训练的关键问题认识的深入，监测及分析策略不断改进，多数研究在指标上逐渐趋于使用rMSSD，并采用个体最小有意义变化范围及7天rMSSD 滚动平均值作为数据分析与解读的重要环节，其中Vesterinen 等的研究最具有代表性[15]。该研究[15]为了验证在耐力训练处方中使用rMSSD提高耐力的效果，将40名休闲耐力跑训练者分为rMSSD 指导训练组和传统训练组。在4 周的准备训练期后，传统训练组按照预定的计划进行训练，包括在8 周的强化训练期间每周进行2～3次中/高强度训练，而rMSSD指导训练组的训练安排是基于每天早上测量的安静rMS⁃SD 状况，即如果7 天rMSSD 滚动平均值在个人正常波动范围内，就安排中/高强度训练，否则就进行低强度训练且持续到rMSSD恢复至平均水平再开始安排高强度训练。图2显示了该研究中一名训练者整个研究期间如何利用rMSSD 来安排训练。总共31 人完成了整个实验，结果显示尽管训练提升最大摄氧量的幅度在两组间没有显著性差异，但只有rMSSD 指导训练组显著提高了三千米跑的成绩（约13.4 秒）。值得注意的是，与传统训练组相比，rMSSD指导训练组中/高强度训练的次数显著减少，这提示以心率变异性为基础的个体化的训练尽管总体训练强度降低，但训练适应的获益更大。该研究结果表明，与主观预设的训练相比，根据rMSSD 来确定高强度训练的时机更为理想，也就是在合适的时间给予合适的运动刺激会产生更优的积极适应。该研究进一步提示心率变异性在耐力训练处方实践中有价值，但仅为单项研究，样本量小。

图2 Vesterinen等研究中用rMSSD指导训练示例[15]

为弥补单一研究的局限性，新近有多篇Meta 分析论文从不同角度综述了此领域的实证研究[16-19]。总结这些综述的结论，比较肯定的观点是，在提升亚极量运动的生理参数，如无氧阈及其相应的运动强度等方面，rMSSD 指导较常规训练有显著的中等程度优势[16-19]。然而，对运动成绩提高是否有优势却有分歧[16]，比较确切的观点是rMSSD指导的训练有显著优势的运动项目是跑步，如三千米/五千米跑[17]。另外，观察个体数据时发现，与常规训练相比，rMSSD指导的训练成绩提高的人数占比更大，因此，遵循基于心率变异性的日常训练有更大的概率提高有氧耐力水平[16-18]。另一个值得注意的特点是，相对于常规训练，rMSSD指导的训练较少利用高强度运动或训练总次数减少，但耐力上的获益相当或更优[16，17]。另外，对不同训练水平者获益的差异分析结果显示，业余水平和女性参与者采用rMSSD指导的训练获益更大，而优秀耐力运动员的获益相对较小[19]。

3 优秀运动员的独特性

优秀耐力运动员训练负荷高但恢复期短，因此会不断触及功能性与非功能性过量训练的边界以最大程度增进体能。由于遗传及训练差异，优秀运动员对训练压力及随后恢复的反应可能与一般锻炼者有所差异[20]。研究发现，虽然高水平训练的耐力运动员通常安静心率较低而心率变异性较高，但也会出现心率及心率变异性同时降低[2]。低心率时心率变异性降低的机制可能是：迷走神经高张力引起细胞水平乙酰胆碱受体饱和，导致窦房结被持续的副交感神经超强控制，这反而会削弱呼吸性心脏调节从而降低心率变异性[2]。这种饱和现象，即低心率同时低心率变异性，对于利用心率变异性评估优秀耐力运动员训练状态来说是一个重要考虑因素。例如，实际训练中在高负荷下，可发生心率变异性的降低，在理论上这意味着自主神经功能的压力很大或非功能性过量训练状态，后续训练原则上应降低负荷，然而对于优秀的耐力运动员，此时应评估心率变异性的降低是否是饱和现象。评估的方法之一是使用Ln rMSSD（rMSSD 的自然对数值）与R-R 间期的比值，即如果心率变异性降低时伴随着Ln rMSSD与R-R 间期的比值降低，则意味着运动员处于饱和状态，后续训练可不必降低负荷[2]。Plews 等的研究显示了优秀运动员自主神经功能饱和现象及鉴别方法（见图3）[21]。对一名赛艇运动员在世锦赛前7 周训练期间晨起Ln rMSSD 每周均值及其与R-R 间期比值的变化进行观察发现，有两个观察点的Ln rMSSD 明显降低，理论上这提示适应不良，应在后续训练中降低负荷，但Ln rMSSD 与R-R 间期比值的大幅降低提示饱和现象存在，因此在后续训练并没有大幅降低负荷，此运动员在随后的比赛中获得了赛艇世锦赛冠军[21]。另一个降低饱和现象干扰的方法是采用非卧位测量方式。与通常采用的卧位测量相比，坐位或站位会产生低水平的持续交感神经张力从而抑制迷走神经活动过低而进入饱和状态[2]。因此目前倾向于推荐优秀运动员晨起rMSSD的测试采用坐位或站位[2]。

图3 优秀运动员自主神经功能的饱和现象及鉴别方法示例[21]

对于一个在高负荷训练期间显示出饱和状态的运动员，饱和现象的突然消失（表现为Ln rMSSD 与R-R间期比值明显增加，如图3 所示的最后一周）则意味着，要么进入了积极性适应，如赛前状态，要么是出现了严重疲劳。对于积极性适应与疲劳这两者的鉴别，除了可以结合主观健康量表及神经肌肉机能测试（如反向纵跳测试）综合判断外，另一个重要的方法是观察rMSSD 的变异系数[2]。因为只有在平衡可恢复的自主神经功能状态下，心率变异性对日常负荷变化的反应才可能出现较大的日间波动，即有较大的rMSSD 变异系数提示积极适应。相反，在交感神经过度兴奋下，一天的休息或低负荷训练可能不足以使副交感神经活动恢复至基础水平，这很大程度消除了副交感活动相关指标的日间波动，即很低的rMSSD 变异系数则意味着消极适应[12]。值得注意的是，对rMSSD 变异系数的解读应考虑训练者的背景，上述情况多发生于高水平耐力运动员，由于他们不断以高负荷挑战非功能性过量训练的边界，持续的rMSSD降低合并其变异系数降低，提示严重的适应不良[12]。但对于一般训练者其训练负荷远未挑战生理极限，当提高训练负荷时，rMSSD变异系数通常会增加，而随后如果降低则意味着对当前负荷的积极适应[22]。rMSSD变异系数可以理解为“机能波动”，波动大意味着对训练刺激有反应且机能复原能力强，而波动小有可能意味着积极适应，也可以意味着机体对训练刺激已无反应，后者是机能很差的表现。

4 研究局限及未来工作

既有研究发现，训练负荷量的变化并不总是与晨起rMSSD 值呈现负相关[2，23]。这是因为rMSSD 只是一种捕捉副交感神经活动的方法，其反映的是机体生理压力的总体水平[2，23]。然而，无论是专业运动员和业余训练者，训练不可能是日常生活中唯一的压力源，除了运动训练，其他压力源可来自家庭、工作甚至学业等。因此，非训练因素的压力，如心理因素可强烈影响晨起心率变异性的水平，这使得难以将心率变异性的变化归因于特定的因素。这似乎是利用心率变异性监控运动训练的一个重要局限。然而，从另一个角度看，如果晨起的心率变异性与训练负荷完全相关，当测量了训练的外部负荷后，则意味着心率变异性这个指标并无实践价值，因为它没有提供任何新的信息。事实上，研究已发现，当训练负荷增加，晨起rMSSD可保持在正常范围或增加，这意味着对训练压力的反应很好，是训练适应良好的标志[2]。另一方面，也可以观察到由于其他压力，如睡眠不足、长途旅行、超时工作或炎热环境下低训练负荷时晨起心率变异性显著降低，这反映了机体对生理总压力的适应不良[24，25]。这些研究结果强烈提示，晨起rMSSD水平实质上反映了机体（主要是心血管自主神经机能）适应和应对总压力的“机能盈余”，虽然较高的训练压力通常以晨起rMSSD的减少为突出表现，但对训练压力的良好适应可使晨起rMSSD 保持稳定或增加。这个“机能盈余”的信息有重要实践价值，因为它可以提供客观的机能适应的反馈从而对训练做出有意义的调整。因此，在没有适当的生活及训练背景下可能会错误解读晨起心率变异性的意义。不过，新近的相关研究的测试中已包括了生活和训练背景以及心理指标测量[24，25]，这也将是未来研究及监控实践必要的组成部分。

纵观前期利用心率变异性指导训练的实证研究，仍有以下局限性值得考虑：首先是研究数量少，即使采用Meta分析，样本量依然不大，这限制了对不同训练方案以及不同运动人群适用性的了解[16-19]。其次在研究质量方面，几乎所有的研究都没有采用双盲或交叉实验设计，使心理因素及个体差异对结果的影响仍未能得到有效控制。另外，观察的时间短（普遍是8周的训练期）以及心率变异性测试仍缺乏标准化也是重要的研究限制。因此，除了继续探索心率变异性测试的进一步标准化，在多种运动人群采用双盲随机对照交叉设计且观察期更长的研究非常值得期待。

近些年来，新型监测心率的可穿戴设备不断涌现，但目前大多数面向消费者的、旨在监测心率变异性的可穿戴传感器仍没有进行效度及信度验证[26]，考虑到心率变异性计算对心动周期（R-R间期）数据准确性的要求远高于运动心率测量[2]，因此，验证不断出现的监测心率变异性的可穿戴设备也应是未来工作的重要内容。

5 小结

近些年来，在利用心率变异性监测耐力训练状态和采用监测结果指导耐力训练方面都有了坚实的研究进展，主要包括，一方面，心率变异性监测训练的操作原则是每天测试晨起卧位rMSSD 并依据7天滚动平均值落在最小有意义变化范围的位置且结合非训练因素解释训练状态，并留意优秀运动员自主神经调节的饱和现象，另一方面，在提升亚极量运动的生理参数如无氧阈和训练效率等方面，rMSSD 指导较常规训练有优势。