一次性力竭運動及性別對體育專業大學生心率變異性的影響研究

曹瑩瑩，周 武，賀亞楠，池愛平

（陜西師范大學體育學院，陜西 西安 710119）

運動過程中機體受到刺激產生主觀以及生理疲勞是一種正常現象。運動性疲勞是由于在運動訓練過程中，引起機體機能水平下降或運動能力降低，從而無法堅持一定的運動強度，但經過適當的休息調整后可以調理恢復過來的現象。人體在運動過程中機體體內乳酸堆積過多、酸堿度失衡、代謝產物自由基堆積、機體內環境穩態失衡、大腦皮質分泌多巴胺，進而促使機體疲勞的產生。運動性力竭主要指機體的主觀感受已經感覺到疲勞，但仍堅持運動直到骨骼肌與器官不能維持運動狀態的一種過度訓練形式。有研究證明，適量的運動負荷可以有效提高心臟功能、增強免疫力，有利于防治心臟惰性，但大強度負荷運動在一定的程度上與心臟的病理性損傷有關，易造成機體中各個細胞、組織、器官、系統發生病理變化，對人體心臟產生不良的影響，影響運動員的健康狀態及訓練效果。

心率變異性（Heart Rate Variability，HRV）是指心臟中的竇房結節律性跳動在一定的周期內連續R-R間期發生規律性變化的現象。其是一種間接衡量心臟自主參數評價心臟自主神經功能的指標，主要反映交感神經張力與迷走神經活性的平衡，在運動康復、競技體育、大眾健身等領域運用廣泛。

如今HRV作為一項非侵入性監測運動中心臟自主神經變化過程的指標，多針對不同運動項目的運動員（國家二級運動員水平及以上）進行研究，而對于體育教育專業大學生的相關研究十分有限。隨著“健康中國”戰略的提出，體育專業大學生作為體育教育事業的儲備人才，以社會需求為出發點，應注重體育專業大學生多樣化學習與多樣性發展。體育專業大學生在增強體質方面理應作為最優股，在注重發展理論課的同時，應加強提升其運動技能，然而目前的高校體育教育對科學有效地指導體育教學與運動訓練存在不足，合理掌握疲勞與恢復的平衡度尚有缺陷。由于HRV測試對實驗要求的嚴密性與實驗儀器的精準性較高，在查閱相關文獻可知，對探索力竭狀態后體育專業大學生的相關報道更是少數。因此，本文通過Bruce跑臺運動方案搭建力竭運動模型，以體育專業大學生為實驗對象，通過記錄運動前、后與恢復的HRV和評估其他相關疲勞指標，研究一次性力竭運動及性別對體育專業大學生心率變異性的影響。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以一次性力竭運動及性別對體育專業大學生心率變異性的影響為研究對象。

1.2 研究方法

通過中國知網等數據庫，查閱與本文研究相關的文獻，為本文研究提供理論支撐。

（1）實驗對象。以S大學校的40名體育專業大學生為實驗對象，分為男生組（20名）、女生組（20名），年齡為18～22歲，在知曉其實驗流程與運動風險的情況下，自愿參加本實驗。所有實驗對象身體指標正常，沒有病史，心臟功能未出現異常，無煙酒嗜好，沒有過嚴重的運動損傷，生活習慣規律，實驗前一周未熬夜、酗酒、服用藥物，實驗前48小時內沒有情緒大幅度波動和飲用濃茶或咖啡，保證實驗者睡眠良好未進行過劇烈運動，女實驗對象均不處于月經期。（表1）

表1 實驗對象基本情況 N=40

（2）測試指標。生理指標：實驗對象在進行Bruce運動跑臺干預前后與疲勞相關指標，選擇反應時、閃光臨界融合頻率、收縮壓、舒張壓、血氧。疲勞量表：采用主觀感覺量表（RPE）。HRV指標見表2。

表2 HRV指標 N=40

（3）測試儀器。本文實驗通過運動跑臺（h/P/cosmos cos10253 德國）來完成遞增負荷實驗方案。Bruce方案是通過調整步頻速度與跑臺坡度實現力竭運動（表3）。HRV測試采用 HRV檢測儀（ ActiGraPh GT9X Link，美國），HRV采集的數據通過Actlife軟件以HRV報告導入電腦。在Kubios HRV Premium3.3.1中處理并分析HRV的時域和頻域指標，疲勞指標采用傅里葉頻譜分析方法。生理指標測試儀器主要有：閃光融合頻率主要由BD-Ⅱ-118 型（北京青鳥天橋）儀器采集，反應時由華東師范大學科教儀器廠 EP206-P采集，血氧飽和度由血氧飽和度監測儀（PM-50）采集。

表3 Bruce跑臺的遞增負荷方案

（4）測試方法。測試前，讓實驗對象仰臥，佩戴Polar心率帶，保持實驗環境安靜、溫度適宜，記錄運動前5min安靜時長。測試實驗對象的生理指標，確保實驗對象在精力充沛狀態下完成實驗。與此同時，按照機器規定時間進行預熱并要求實驗對象靜坐5min，記錄穩定后的心率數據，再次向實驗對象簡明扼要講述測試要求，消除實驗對象內心恐懼并做出相應的熱身活動。實驗對象佩戴Polar心率帶和GT9X設備，檢查是否正確穿戴跑臺安全帶，并開始按照Bruce方案進行運動，當負荷每次遞增的時候詢問一下實驗對象的自我感受，防止意外發生，直到實驗對象的運動節奏明顯混亂、主動示意已無法繼續運動或者心率已超過180次/min時，即判斷實驗對象已達到一次性力竭，測試隨著跑臺降速漸停，并在運動后5min將實驗對象置于絕對安靜的環境中，使實驗對象達到最大的恢復效果，更好地反映實驗對象的心肺功能，保證實驗的有效性，并記錄心率以及生理指標。

判斷實驗對象達到力竭的主要依據：實驗對象的心率已達到最大心率的75%～85%或心率超過180次/min；實驗對象主觀感受上達到運動能力衰竭已無法堅持運動；實驗對象在運動時詢問中RPE量表已達到19～20。

2 結果與分 析

2.1 運動性疲勞生理指標的測試結果

研究顯示，運動前后生理指標均發生了變化。在實驗過程的兩個階段中，心率、收縮壓、舒張壓呈現明顯上升趨勢，且運動前與運動后差異均有顯著性。實驗對象的心率均呈現極顯著性升高（＜0.01）， 表示在運動過程心率與運動負 荷成正比。男生組運動后的收縮壓與運動前相比明顯上升（＜0.05），舒張壓無顯著性變化（＞0.05）；女生組運動后的收縮壓較運動前相比呈極顯著性升高（＜0.01），而舒張壓無顯著性變化，表示實驗對象在運動過程中血液重新分配速度加快，其動脈血壓發生變化。男生組與女生組的血氧數據在運動后與運動前相比均出現明顯下降，表示隨著運動負荷量的增加，其血乳酸濃度上升，機體中氧和血紅蛋白呈下降狀態。實驗對象在運動后與運動前相比，其反應時與平均反應時都出現反應時間延長變化，且在女生組中總反應時間呈顯著性增加（＜0.05），表明實驗對象在運動后疲態程度較深。運動前，男生組與女生組的閃光融合臨界頻率數值高，與運動后進行比較，男生組和女生組均達到了不同的疲勞程度：男生組為重度疲勞，女生組為中度疲勞。（表4）

表4 男女生組運動前后生理指標變化結果

2.2 男女生組力竭運動前后時域指標測試結果

研究顯示，在運動前與運動后兩個時間段中，SDNN、RMSSD、PNN50值在運動后均出現明顯下降趨勢，且運動前與運動后相比較呈極顯著性差異（＜0.01）。女生組運動前的SDNN值比男生的低，女生組運動前的PNN50值與男生相比大致相同；運動后比較，男女組相比RMSSD值存在顯著性差異（＜0.01），而SDNN、PNN50比較無顯著性差異（＞0.05）。（表5、圖1）

圖1 男女生組力竭運動前后時域指標測試結果

表5 男女生組力竭運動前后時域指標測試結果

2.3 男女生組力竭運動前后頻域指標測試結果

頻域指標主要通過短程傅里葉轉換，HF測量定量分析迷走神經活性其主要定量揭示自主神經調節之間的關系，LF主要反映交感神經活性，LF/HF的數據通過自主神經系統參與，明確解釋交感神經與迷走神經的平衡關系。研究顯示，HF、LF、LF/HF值運動前與運動后進行比較，均具有極顯著性差異（＜0.01），HF、LF的運動后值比運動前呈明顯下降趨勢，LF/HF值明顯增長。運動前男生組與女生組HF、LF、LF/HF值比較，無明顯差異性變化（＞0.05）。運動后男生組與女生組比較HF、HF/LF值呈極顯著性差異（＜0.01），女生組HF值低于男生組，LF/HF值女生組明顯高于男生組，LF值差異不顯著（＞0.05）。（表6、圖2）

圖2 男女生組力竭運動前后頻域指標測試結果

表6 男女生組力竭運動前后頻域指標測試結果

2.4 男女生組力竭運動前后頻域指標測試結果

心率變異性的非線性指標主要揭示R-R間期的內部變化趨勢。SD1與SD2通過Poincare散點圖來反映橫縱坐標值變化，主要揭示心率起伏與波動頻率。表7顯示，SD1、SD2值在運動前到運動后呈現從高到低的趨勢，且運動后與運動前進行比較呈極顯著性下降（＜0.01）。男生組與女生組的SD1、SD2值差異性并不顯著（＞0.05），男女組SD1值在運動后均出現下降趨勢且男生組高于女生組，男女組運動后相比SD2值存在顯著性差異（＜0.01），男女組在運動后均出現下降趨勢，但女生組SD2值下降幅度比男生大。

表7 男女生組力竭運動前后頻域指標測試結果

2.5 分析與討論

人體長期處于健康穩態下，主要源于身體中樞神經的自主神經系統。心率變異性指標主要揭示自主神經的相互關系，間接地反映交感神經和迷走神經在外界刺激影響下的相互協調及均衡性。HRV在運動的過程中，可以定性定量地反映心血管系統變化，合理評價交感神經與迷走神經的動態平衡。

本文主要通過Bruce方案使實驗對象處于重度疲勞狀態下，記錄比較實驗對象在運動前后的HRV數據，進一步利用時域、頻域、非線性分析法分析HRV在運動前后的關系，尤其是在體育專業大學生這個群體中。本文對40名體育專業大學生進行運動前后的疲勞生理指標測試。男生組運動后的時域指標（SDNN、RMSSD、PNN50）、頻域指標（HF、LF、LF/HF）、非線性指標（SD1、SD2）與運動前安靜時相比都具有極顯著性差異（＜0.01），女生組的結果與男生的結果基本相同，運動前與運動后相比存在極顯著性差異（＜0.01）。

本實驗結果與早期研究運動性疲勞與HRV的研究報道相似。有研究表明，心率變異性指標變化與運動疲勞存在一定的聯系。運動疲勞會使心交感神經和迷走神經出現暫時性失衡，HRV值明顯減小，表明交感神經活性加強，迷走神經受到明顯抑制而減弱。不論運動負荷強度，運動疲勞都會造成HRV值下降，且在恢復時期HRV明顯增加，這是由于在運動過程中交感神經活性抑制迷走神經活性，身體適應運動負荷做出的調節機制。史博強、和振東認為力竭訓練后的運動員SDSD、RMSSD、SDNN呈顯著性差異（＜0.05），迷走神經與交感神經的失衡更為明顯，說明運動員的應激能力下降且恢復時長與狀態都會受到影響。在中等強度運動中，HRV指標（RMSSD、SDNN、LF、HF）都出現明顯下降，并發現在運動過程中，運動時間與負荷量對HRV下降并不存在太大波瀾，其主要受運動強度與生理的影響。實驗對象通過參與中等強度運動訓練，產生機體疲勞并造成HRV值下降并在恢復過程中出現反彈，主要表現在SDNN、RMSSD、HF。研究證明，遞增負荷運動會使心率增加的同時，HRV下降。自主神經系統對運動前后會做出不同的反應，因此，通過HRV指標可以檢測迷走神經或交感神經活性，反映人體狀況。

綜上所述，HRV是敏感性指標，通過外界給予運動強度刺激會發生顯著性差異。從生理因素考慮，這可能與激素和神經遞質的分泌速率有關。通過檢測HRV指標可以有效地評估個體對訓練的適應能力并制定相匹配的訓練方案。因此，筆者認為HRV是一項判斷運動性疲勞的可靠指標，用來選擇適宜的訓練量與強度以及制訂適宜的訓練方案，防止過度疲勞導致出現病理現象。

HRV主要反映其心臟自主神經活性，具有靈敏性特點，施予運動刺激可有效地改善降低交感神經活性。近幾年文獻報道HRV與性別存在某種聯系。鐘運健、吳紀饒等提出HRV與年齡也密切相關，HRV參數隨著年齡的增長減小，女性HRV指標多低于男性。Ramaekers在安靜狀態下通過監測276名健康受試者（135名女性，141名男性），對其進行24小時HRV測定，得出除PNN50與HF指標值外，男性的HRV指標值高于女性。姜媛、林崇德在男女運動員情緒調節與HRV的實驗中，發現女運動員的HRV要低于男運動員，因此判斷男女運動員在情緒狀態下迷走神經活性存在顯著性差異。于阿信在樓梯運動研究后發現并非自主神經功能調節機制，女性在運動后心率的恢復高于男性，由于男性竇性周期比女性長，因此女性迷走神經活性強。孫朋等學者采用Bruce跑臺實驗進行了2次測試，并記錄受試者運動前后以及運動后60min的HRV，分析并提出在中等強度運動中，男性的恢復能力與女性相比較弱，該差異可能是性激素分泌差異性造成的。劉雪興通過對競技健美操運動員進行性別等分類，提出性別因素并不存在明顯差異性，但是個別指標在不同訓練年限、專業界別中有差異。丁玲玲選取384名網球運動員從性別、地區等探索賽前焦慮與HRV的關系，采用時域、頻域、龐家來散點圖進行分析，其結果為不同性別的運動員在HRV的指標并不存在統計學差異。綜上，HRV與性別的個體差異性還存在一定的爭議，盡管現在有很多研究性別因素與HRV的文獻，但是在運動性疲勞與力竭運動的HRV性別差異影響鮮有報道。

本文針對男生組與女生組對比運動前后的HRV指標值進行分析研究，運動前男生組與女生組對比均沒有統計學上的顯著差異性，但RMSSD、HF、LF、SD1、SD2的 女 生 指 標 值均高于男性，其余指標值（SDNN、PNN50、LF/HF）呈現男生高于女性。由于本文的實驗對象是體育專業大學生，其指標值與健康人群研究數據存在些許差異，但實驗結果與黃暉明以優秀田徑運動員為實驗對象的結果大致相同，說明具備良好運動能力的女運動員HRV均值高于同等運動水平的男運動員。RMSSD、HF主要反映迷走神經張力，LF主要揭示交感神經與迷走神經的調節功能，由此可以得出女生在靜息狀態下，雖然與男生的HRV值沒有太大的差異性，但是迷走神經張力高于男生。

運動結束后的男女生組進行比較，2組的HRV均值除LF/HF值外均明顯 降 低，其RMSSD、HF、LF/HF、SD1、SD2值男女組在運動后進行對比具有顯著差異性（P＜0.01），除LF/HF值女生高于男生外，其余指標男生組都高于女生組。此實驗結果說明，Bruce跑臺實驗方案隨著時間的增加、運動強度的改變會影響體育專業大學生HRV值變化，該結果與早前的以第九套廣播體操為運動方式的結果一致。RMSSD、SD2可以用來衡量在運動負荷遞增情況下運動員的身體機能與耐受能力，HF主要揭示迷走神經活性，LF/HF反映交感神經和迷走神經的均衡性。男生組與女生組在運動即刻結束后，在力竭運動后迷走神經張力存在差異。

當前HRV作為一項生理指標衡量性別差異機制還尚未清晰，現今大部分學者認為其是不同性別激素差異導致的。有研究證明，雌激素可以調節迷走神經活性，男性睪酮激素可以調節自主神經功能。在運動過程中，性別會引起生理反射的差異。Dutra的研究表明，心臟調節平衡在不同性別之間存在差異，這種差異的特征是女性的自主迷走神經成分和男性的交感神經成分的影響更大。

綜上，性別會對HRV產生影響。在安靜狀態下男生組與女生組的HRV值整體一致，自主神經調節功能沒有差別，交感神經與迷走神經張力處于平衡狀態。在運動過后男生的交感神經比女生高，女生的迷走神經活性比男生高。

3 結 論

一次性力竭運動后，實驗對象HRV值呈明顯下降，即表示心交感神經興奮，迷走神經抑制，處于動態平衡中的交感神經占明顯優勢。

運動性疲勞狀態下性別因素影響存在差異性。運動前男女生組HRV值不存在差異性，自主神經調節功能一致，交感神經與迷走神經活性處于均衡；運動后，女生組迷走神經活性增強的指標高于男生組，女生組的迷走神經強，男生組的交感神經強。