淺析Omegawave系統的基本原理與應用

劉 珂

1 引言

Omegawave系統是美國Omegawave Technologies LLC開發的一種測試系統，能夠針對心臟系統和中樞神經系統進行身體機能的評價，其特點是簡單方便，反饋及時。這種監控方法，充分應用了“訓練窗”理論，對于精英運動員的個性化訓練提供了試試的可能性和可操作性［1］。通過長期的Omegawave機能狀態監控可以準確把控運動員在訓練階段中競技狀態的變化，提高訓練效率，避免過度疲勞和運動損傷。

目前常用的生化指標以及心率指標的監控雖然能夠起到不錯的效果，但只能反映心臟和機體功能，不能反映出運動員的中樞神經系統的狀態。且生化標本的采集是有創的，在采血之后很多項目的訓練是受限的，獲得結果時間較長。而Omegawave測試能夠通過無創的測量方式一次性獲取心臟功能、中樞神經機能狀況、植物神經系統等生物學參數，并對運動員的機能狀態做出實時的綜合性診斷和評估，為教練員安排訓練計劃及賽前準備提供參考。

2 Omegawave系統的基本原理

2.1 心臟功能系統

心臟系統的功能狀態能夠反映多級系統在適應訓練負荷過程中調節心臟功能的綜合反應。其作用是形成關鍵有效的適應，從而改善運動員的訓練狀態。功能狀態水平是心臟系統執行此功能的一個重要指標。Omegawave用心率帶進行采集靜息心率（RHR）和心率變異性（HRV），通過仰臥3-5分鐘的評估，采用專有的模型和算法全面分析和確定壓力水平、功能儲備，以及心臟系統的恢復模式，最終評估心臟系統的功能狀態，反映了對訓練負荷準備情況的準確圖像。

靜息心率能夠反映身體的機能狀態，如果一個運動員在疲勞狀況下，靜息心率會明顯高于平時正常狀態。而在過度疲勞狀態下，達到平時訓練的心率其主觀疲勞感覺會增加，且恢復時間更長［2］。

心率變異（HRV）是指逐次心動周期之間的時間變異系數，即心率快慢的變化差異和規律，一般通過R-R間期來計算。正常情況下，由植物神經系統調節心血管功能，使竇房結按照一定的節律搏動，而這種內在的平衡會在機體疲勞或出現疾病時被打破，從而引發HRV的改變。而植物神經由交感神經和副交感神經兩大神經系統所支配，二者是相互拮抗的，副交感神經使心率變慢，而交感神經使心率變快［3，4］。

交感神經與副交感神經二者相互制約達到動態平衡。當機體出現疲勞時，交感神經和副交感神經失去平衡，心跳節律和心血管系統功能紊亂，從而表現出心率變異。通常用心率變異來表現體液調節。HRV隨著疲勞程度的增加而升高［5］。

促使運動員產生HRV改變的主要因素是運動量、運動強度和訓練時間。運動員心率變緩的最主要原因是心肌重構，使心自主神經調節達到新的穩態。當訓練負荷達到一定程度時，迷走神經興奮以減少心肌損耗，減輕心肌負荷，從而保護心肌收到進一步的損傷［6］。

影響HRV的生理因素很多，除了性別、年齡、體型等因素外，情緒、心理、性格等心理因素、呼吸、運動、血壓、月經周期以及睡眠等均對HRV產生不同程度的影響。同時，神經源性疾病、心血管疾病、內分泌等病理因素均可能影響結果［7］。因此，想要準確評估運動員當前的心臟功能狀態，需要與運動員進行進一步的交流與溝通，以排除上述的影響因素。

Omegawave通過心率帶測量，主要采用時域和頻域分析法，獲取各種參數，對運動員的心功能進行評估。時域分析獲得參數有R-R間期標準差SDNN，SDSD，R-R間期差的均方根RMSSD，通過非線性HRV分析法，計算心率變異的散點圖和柱狀圖，如圖一所示。如果R-R間期在正常調控范圍內，散點圖會在綠色區域，且分布比較均勻，柱狀圖呈正態分布，如果交感神經緊張，則散點圖會和柱狀圖聚集，副交感神經緊張，則比較分散。

圖一 心率變異的散點圖和柱狀圖

頻域分析獲得參數有低頻均值LF、高頻均值HF、交感-迷走神經平衡指數LF/HF等。

通過低頻和高頻計算頻譜圖，如圖二 所示。一般認為，LF增多表明交感神經興奮，HF增多，則表現為迷走神經興奮［8］。

圖二 頻譜柱狀圖和頻譜圖

圖三為Omegawave系統測試的心肺調節系統的評估結果，根據左右兩圖的具體參數，給出心肺調節系統功能狀態和壓力的評分（1-7分，7分為最好，1分為最差）。

圖三 心肺調節系統功能狀態

2.2 中樞神經系統

大腦激活程度或喚醒水平決定了中樞神經系統（CNS）處理內部和外部信息并做出適當反應的能力。中樞神經系統準備良好或處于最佳激活狀態對于運動員掌握技術和戰術技能，認知控制，情緒調節，精神和運動活動的協調等起積極作用。中樞神經系統也對心理準備狀態和心理韌性起決定性影響，并且能夠反映精神疲勞狀態［9］。

Omegawave使用大魚際線和大腦前額測量大腦的超低生物電信號（范圍在0到0.5Hz）。并對對這一信號進行分析與評估中樞神經系統狀態。分布在頭部表面的頻率反映了大腦的激活程度——從深度睡眠到高喚醒水平。腦前葉的活動與認知功能有關（感知，注意力，記憶力，準備能力等），同時它還能夠調節肌肉張力并協調自主運動，姿勢等。大腦中存在直流電位，是安靜時在皮層表面之間或皮層與皮層下之間呈現的電位差。這種點電位在無外界刺激影響時這種電位差能保持相當穩定，因此也叫作“恒定電位”（SP）［10］。因此Omegawave采用靜息狀態下直流電位來記錄中樞神經狀態，反映休息時的狀態和處理即將到來的符合準備程度。

直流電位與呼吸，周圍的氧合作用，中樞和外周血流動力學的變化有關［11］。大腦的直流電位測量大腦極低控制系統的活動水平，反映了覺醒和精神活動的水平，抵抗競技準備能力發展過程中的壓力、代償能力和生物適應成本。在更復雜的層面上，直流電位反映了系統間的協調程度。直流電勢反映了運動員大腦活動和中樞神經系統準備狀態的一般水平［12］。直流電的潛在動態變化和特征（振幅，形式，穩定時間等）代表適應了當前運動強度后的大腦代謝平衡變化，并且它還與認知和心理負荷相關［13］。直流電位的顯著變化與代謝系統維持腦內穩態平衡能力的下降有關，這將影響認知和情緒控制，增加焦慮并導致出現錯誤和運動表現水平下降。

直流電位一般在25-45mV處于最佳狀態，過低（＜0mV）代表中樞神經處于極度疲勞狀態，對認知活動、學習能力下降，過高（＞45mV）表明精神活躍度緊張，由于高度緊張狀態導致大腦終身機制的調節功能降低，身體適應能力變差。同時，根據穩定的時間和直流電位的圖形最后評估中樞神經的狀態，用來反映中樞神經系統的狀態、休息的狀態和處理即將到來的負荷的準備程度。圖四為Omegawave測試的中樞神經結果。結果會對中樞神經系統準備狀態給出評分（1-7分，7分為最好，1分為最差）。

圖四 中樞神經系統準備狀態

3 Omegawave監控的應用

Omegawave將身體需要發展的素質分為四個模塊：耐力、速度&爆發力、力量、協調能力&技巧。通過測試，評估運動員的當前準備狀態，根據運動員對先前負荷的生理適應的頻繁監測和分析，確定新負荷的有效時間框架，也叫窗口，分析運動員適合訓練哪個模塊。一方面使訓練達到最佳效果，另一方面避免運動損傷。如圖五所示，如果身體機能不適合某一類型的運動，訓練窗口就會關閉，此時不應該嘗試訓練關閉的窗口，這時可以訓練其他身體素質。同時還顯示需要發展的身體素質的靶心率。Omegawave的應用理念打破了一貫地以教練員為主體的訓練體系，主要是以運動員為主體，通過對運動員當天的心臟功能與中樞神經準備狀態來確定訓練計劃，最大程度提高訓練效果，有效預防運動損傷。

圖五 Omegawave總體結果和訓練窗

經文獻查詢，目前我國多個國家隊、省隊以及高校都使用該設備，涉及的項目有足球、皮劃艇、賽艇、射擊、射箭、手球等。但目前我國報道的文獻中，Omegawave更多地運用于訓練強度與負荷的監控，而非指導訓練［14，15］。

如果訓練前進行測試，根據當前運動員的身體準備狀態去制定訓練計劃才能使該設備達到最佳效果。同時需要指出的是，單次的Omegawave測試只能反映當時的狀態，重要的是跟蹤短期和長期適應各種形式的負荷，以便成功地管理訓練過程的每個階段（即：單次訓練，小循環、大循環，訓練板塊，頂端/達到峰值）。這些信息可用于評估正在進行的適應過程，并采取相應措施調整訓練過程。