探讨皮肤导电水平在运动性疲劳时的变化特征

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论文摘要

  运动性疲劳诊断手段的丰富与完善,一直是运动生理学研究的热点。然而,随着现代运动竞技水平的不断提高,当前疲劳诊断的监控手段陈旧、局限,难以适应飞速发展的竞技形式,甚至严重桎梏了对运动性疲劳的监控与研究。皮电生物反馈技术与现行诊断手段相比,高效便捷、科学精密、时效性、无创伤的特色鲜明; 与其他生化指标、生物技术相比,资源耗费低、易于推广等特征显着。若将皮电技术应用于疲劳诊断,或可为缓解疲劳诊断领域内的突出困扰提供新的、有效的思路和方法。本研究应用实验研究法,探讨是否可将皮电技术指标 SCL 应用于疲劳监控,并揭示应用时可能存在的价值作用。

  1 材料与方法

  1. 1 实验模型的建立
  实验对象基本情况表  实验随机选取 2012 级体育学院大学生运动员 16名,分为男子组( M 组) 和女子组( F 组) 进行自身前后对照,其基本情况见表 1。实验对象需进行一般医学检查,排除运动风险。运动方案则参照经典的 Bruce方案制定,即以 2. 7 km/h 的速度,10% 的最大坡度开始,每 3 min 递增一级,整个方案共 7 级,最终速度将达到 9. 6 km/h,坡度则达到 22%最大坡度。实验过程中以实验对象不能维持运动强度,且反应时、RPE 和即刻最大心率达到疲劳数值确定运动性疲劳的产生。

  1. 2 实验仪器

  联合应用德国产 h/p/cosmos pulsar 4. 0 运动跑台进行运动强度控制; 澳大利亚产 SCHUHFRTED 生物反馈仪收集皮电数据; 芬兰产 SUUNTO 远程心率遥测团队系统采集即刻最大心率用于疲劳鉴定。

  1. 3 统计学处理

  实验数据采用 SPSS20. 0 进行处理,使用独立样本t 检验,单样本 t 检验,相关样本 t 检验,单因素方差分析等方法分析所得数据,所有数据均用平均数 ± 标准差( Means ± SD) 表示,且以 P <0. 05 表示差异显着,P< 0. 01 表示差异非常显着。

  1. 4 运动性疲劳的确定
  疲劳判定相关指标表  综合选取了反应时、RPE 和即刻最大心率等指标,作为疲劳判定的依据。结果显示,当 F、M 组运动员的即刻最大心率达到公式推导最大心率( HRmax,以年龄 20 为准) 的 105% ~ 110%,且与 160 hb/s( 80% HRmax) 相比差异非常显着时( P <0. 01) ,两组反应时均呈现不同程度的升高,但差异均不显着( P >0. 05) ,不过此时两组 RPE 却都高于 18 ( 很累) ,且差异显着( P < 0. 05) 。已有研究证实,心率、反应时、RPE 达到既定数值,即可确定疲劳的发生。提示或可应用现有数据,论述 SCL 疲劳产生时的图形及数字特征。

  2 结果

  2. 1 SCL 曲线的状态变化特征

  运动过程中安静、疲劳、恢复的 SCL 曲线规律性变化,见图 1 ~ 图 4。依据 El - Sheikh曾证实的 SCL基线分布差异,将安静 SCL 均值高于 8 μs,为高基线水平类( H 类) ; 低于 8 μs 为低基线水平类( L 类) 。
  从图1 ~ 图4 可看出,L 类女子安静时曲线有明显的波峰波谷,提示安静时曲线具有周期性,周期大约为1 分 12 秒; 疲劳时,曲线出现较为显着的双波峰现象,显示周期或缩短为安静时的一半; 积极性休息并安静坐卧后,曲线逐步恢复为单波峰,揭示周期再次延长。
  L 类男子安静、恢复曲线类似于女子,但疲劳产生时曲线出现了数值变化幅度剧增现象。女子疲劳时 SCL值变化幅度仅为5 μs,男子却可达10 μs。系统分析 H类曲线特征则又发现,一方面,图 3 呈现 H 类女子安静时值基本恒定,疲劳时曲线先于剧烈震荡中上升,而后急速上升,值一度高达50 μs,在急速下降后,值长时间维持在 0 μs 小幅变换,最后呈小幅震颤上升,提示其疲劳曲线或可大致分成震荡上升期、急速上升期、急速下降期、不应期等四个阶段。恢复时曲线走行似疲劳,但变化幅度明显降低。另一方面,图 4 则反映,H类男子虽安静曲线走势类似于女子,但值的大小和变化幅度更高。疲劳时虽同样拥有四期,但男子上升、下降期却出现了剧烈的直线型变化,提示该类运动员产生疲劳时,SCL 值在上升、下降期可能出现短时巨变。恢复曲线则是开始长期处于 0μs,而后出现幅度逐步下降的震荡上升。
L 类女子运动员 SCL 图H 类男子运动员 SCL 图
   2. 2 SCL 值的状态变化规律

  运动结束后,进行了 M、F 组安静、疲劳、恢复的SCL 数值比较,结果见表 3。从表 3 可以看出,一方面,疲劳时 M 组 SCL 均值低于安静状态,高于恢复状态,且差异具有非常显着性( P <0. 01) ,提示男子由安静到疲劳再到恢复的过程中,SCL 均值为依次下降的斜线型变化,疲劳时 SCL 值的大小介于安静与恢复之间; 另一方面,F 组疲劳时 SCL 值高于安静、恢复时,且差异同样具有非常显着性( P < 0. 01) ,表明女子为先上升再下降的倒 U 型变化,疲劳时 SCL 均值最大。
  安静、疲劳、恢复的 SCL 值表
   3 讨论

  3. 1 运动性疲劳发生过程中皮肤导电水平的特征性变化分析

  SCL 在运动员产生疲劳时,曲线、数值拥有怎样的特征,存有哪些规律以及这些规律产生的根源,似乎值得探讨。心理学、临床医学中业已存在 SCL 特征、价值、机制的阐释。如 Roth等研究恐慌症时表明,与正常人相比,患者的 SCL 呈下降趋势。Storm研究早产儿时揭示,SCL 从 29 周胎龄开始出现上升。Er-ath研究父母教育方式与儿童外在行为关系时阐明,L 类儿童的关联度强于 H 类儿童。临床医学、心理学中既有特征的阐明,又有相关关系的研讨,最近则似乎更多注重技术优势、信号处理的探究。Günther 等研究证实,皮肤电导每秒波动次数在重症监护病房患者情绪评估中的作用,可能比一般主诉更为有效。蔡菁研究皮电信号处理方式时发现,将改进的禁忌搜索算法引入情感识别是有效的。分析已有研究或可发现,多以数值探讨为主,曲线论证似较少涉及,且 SCL变化趋势多为统一的上升或下降。临床医学与心理学领域内,SCL 的论证似已臻成熟,但目前运动医学领域的研究却非常有限,应用于运动性疲劳监控的,则更为匮乏。Lu 等利用生物反馈技术研究疲劳,发现血量脉搏、皮电、呼吸、皮温和肌电图曲线,均表现出鲜明特征。但文章似乎并未阐明所指疲劳是否为运动性疲劳,也未将 SCL 单独分析。基于以上研究,本研究拟尝试联合应用多种国外先进精密仪器,以经典的Bruce 方案控制强度,以应用成熟的反应时、即刻最大心率、Borg RPE 表为疲劳判定依据,随机选取的实验对象主、客观指标出现疲劳变化时,拟探讨 SCL 在运动性疲劳时可能存在的变化特征。
  本研究表明,一方面,SCL 监控运动性疲劳表现为独有的曲线、数值变化特征。疲劳曲线的变化显着不同于安静与恢复,可依性别、基线类别不同,而分别出现双波峰、振幅剧增、四期变化、直线型巨变等不同表现形式。数值则是由安静到疲劳再到恢复时,男子依次下降,女子先上升再下降,变化趋势不统一。这在SCL 数值变化的既往研究中,尚未提及。疲劳时曲线、数值均具有显着不同的新变化,即 SCL 监控运动性疲劳时,拥有独特的曲线、数值变化特征,这或是 SCL 应用的新突破。另一方面,对运动至疲劳时 SCL 新特征变化的原因探讨,似可丰富运动性疲劳产生机制的解释途径。临床医学中 SCL 特征性变化的原因论证,20世纪 80 年代就已开始。Banga研究发现,皮肤角质层或是离子电渗运输的主要障碍。而 Kasting则认为,毛囊、汗腺导管等皮肤附属物作为低电阻分流途径的重要性,仍有争议。目前探讨似多以分析影响因素的某一方面为主,较少进行系统论证。但发生运动性疲劳时,若仅析某一方面,似难以解释 SCL 较为复杂的变化。运动性疲劳产生时,SCL 的变化或可能存多种机制。疲劳时过大的负荷可能导致过度的汗液渗出,引起皮肤周围离子转运发生大幅度改变,甚至是紊乱,这可能是疲劳时值的下降、上升,曲线双波峰、四期变化、增幅剧增、直线型巨变的原因; 同样疲劳时也可能产生大量的自由基,这些自由基可能使交感神经传导通路受到较大程度破坏,皮肤周围膜受体、离子泵、离子信道、离子转运蛋白等也可能同时受到较为严重损害,或引起交感神经过度兴奋,汗腺活动极度异常,离子代谢紊乱,从而导致值的不同变化和曲线的不同表现特征。当然运动至疲劳时,似乎也可产生儿茶酚胺、5 - 羟色胺等抑制性神经递质,其可能不仅作用于中枢及 α、γ 等运动神经元及其调控的肌组织,或同样还可作用于交感神经及汗腺,引起皮肤电阻增加甚至紊乱,可能导致曲线出现直线型巨变、增幅剧增;而疲劳时伴随皮肤周围,尿素、肌酐肌酸和盐类物质的大量分泌,可能此时产生了某些目前尚未被证实的代谢产物,而且男、女形成的产物性质迥异。此类代谢产物的堆积,或可使男子皮肤周围电阻上升,女子下降,导致疲劳时男子 SCL 值下降,女子上升。长时间剧烈的运动,同样或可使交感神经系统、皮肤活动有关激素、免疫抑素等发生剧烈变化。此时可能促使神经 - 内分泌 - 免疫网络产生了另外的某种物质,此类物质可作用于皮肤,引起皮肤周边的电子活动紊乱; 另外运动至疲劳时血液 pH 值下降,血浆渗透压、电解质浓度可能发生改变。此时已然发生巨变的血液大量运输至皮肤,极有可能引起皮肤周围环境稳定性严重失调,导致疲劳时的特征性变化。疲劳可能是一些物质分泌增多引起,也可能是一些物质的含量下降引起的。运动至疲劳时,ATP、CP 含量急剧下降,血糖浓度持续降低,而此时消耗的能量无法及时有效地获得补充,可能引起皮肤周围离子转运所需能量严重不足,或导致了离子转运停滞,引起 0 μs 现象,即不应期的出现; 疲劳时 SCL 的变化也有可能是多种因素系统紊乱引起的,比如交感神经、汗腺活动、离子代谢,皮肤周围肌肉组织等。

  3. 2 皮肤导电水平监控运动性疲劳的实践应用价值

  疲劳时呈现特征性变化、个性机制的 SCL,对于运动实践有何价值作用,似乎同样值得深入探讨。研究发现,SCL 价值作用突出,简单实用,易于推广,且疲劳时独有特征性变化或可应用于运动实践。SCL 值既对状态变化敏感,又对性别差异敏锐,表明其科学性较强。SCL 曲线在不同基线水平男、女疲劳时,呈迥异变化,其中一些变化甚是剧烈,提示 SCL 曲线或可精密有效地实时监控运动性疲劳,时效性特点凸显。若此技术优势能有效应用,或可缓解现行某些疲劳监控手段的突出困扰。科学性、时效性突出的 SCL,其技术基础皮电生物反馈技术在应用中还可显现其他价值。皮电技术不同于血乳酸、CK 等生化指标需耳垂取血,其应用不会对运动员造成创伤或交叉感染。同时异于心电图、表面肌电图、脑电图和其他生反技术,需电极片收集信号。皮电无需电极片,仅需对手指简单消毒,中指缠绕精密芯片即可,操作简单,易于掌握。且无需电极片,或意味着可节省大量资源耗费,这突出了经济性强的特点。故实验首次证实,SCL 监控运动性疲劳时,或可凸显科学性、时效性、经济性、易于掌握与推广的实践价值。
  拥有突出价值的 SCL,其应用于运动训练实践,或意味着无论运动过程中( 曲线比较) 还是结束后( 数值比较) ,SCL 均可提供精密、准确、有效、可靠的状态信息。这或可帮助教练员、运动员及时掌控状态变化,随时调整运动强度,及时有效避免运动负荷不足或过度疲劳,切实提高运动训练效果,大幅降低疲劳性损伤的发生频率。SCL 值或可作为不同性别训练队训练或比赛结束后疲劳鉴定、负荷制定及调整的精确依据。曲线则或可成为教练实时调控有重大比赛任务运动员负荷强度,制定个性化竞技运动处方的有效手段。一方面,训练结束后,教练员可根据运动员 SCL 数值的变化规律,及时掌控整个训练队男、女运动员的训练效果,及时调整训练队训练内容与强度。如女子运动员训练结束后整体上 SCL 均值为不增长甚至是下降,那么或许意味着现有负荷可能过低,大部分女子运动员未达到一定的疲劳; 若是非常明显的增长,那么可能现有负荷超过了大部分女子运动员的承受范围,负荷强度或需进行适度地调整。另一方面,SCL 曲线则可用于教练或运动员训练过程的实时监控,尤其是可以帮助教练员实时监控有重要比赛任务的运动员。当此类运动员 SCL 曲线未出现双波峰、波幅剧增、四期变化或直线型巨变时,或可实时增加负荷; 出现相关表现并持续加剧时,或可实时减轻强度。SCL 的实时监控可能意义更为重大,教练员从此或可不必等到训练结束后再调整负荷,在训练过程中就可实时调控,这似乎可有效推进运动训练的科学化进程。

  4 小结

  SCL 监控运动性疲劳时,显示了其有独特的曲线变化规律和数值变化特征,其曲线变化在疲劳时,显着不同于安静、恢复状态,并显现出性别特征。L 类女子出现双波峰,男子振幅剧增; H 类女子出现四期变换,男子上升、下降期出现直线型巨变。其值在产生疲劳的过程中,同样特征明显。男子值下降,女子值上升,变化趋势为倒 U 型和斜线型。其变化机制则可能与离子代谢紊乱,自由基大量产生,能量耗竭以及某些代谢产物的产生与堆积有关。SCL 特征和规律或可用于训练队疲劳的整体评判,运动员负荷的实时调控,可为运动训练的科学化进程提供新航标。

  5 今后的研究

  尽管 SCL 监控运动性疲劳有一定优势,但 SCL 也存在仅可反映某一方面疲劳的不足。虽早在 1966 年就已证实皮电或与中枢存某种联系,但皮电与中枢之间具体存在怎样的联系,以及这种联系在运动至疲劳时会有怎样的表现,近年来却鲜有报道。另外,SCL虽可一定程度上反应疲劳,但其能否精密反应肌肉、心肌等组织的疲劳程度,还有待进一步论证。
  今后似乎有必要进行更深度地探索。将生物反馈各项技术指标进行联合应用,一方面或可探讨疲劳时SCL 与 EEG 的 α、β 等脑波之间可能存在的相关系数,另一方面似乎也可阐明心肌疲劳、中枢疲劳、肌肉疲劳与交感神经汗腺之间可能的某些联系。

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