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    探討皮膚導電水平在運動性疲勞時的變化特征

    時間:2014-05-16 來源:未知 作者:學術堂 本文字數:7078字
    論文摘要

      運動性疲勞診斷手段的豐富與完善,一直是運動生理學研究的熱點。然而,隨著現代運動競技水平的不斷提高,當前疲勞診斷的監控手段陳舊、局限,難以適應飛速發展的競技形式,甚至嚴重桎梏了對運動性疲勞的監控與研究。皮電生物反饋技術與現行診斷手段相比,高效便捷、科學精密、時效性、無創傷的特色鮮明; 與其他生化指標、生物技術相比,資源耗費低、易于推廣等特征顯著。若將皮電技術應用于疲勞診斷,或可為緩解疲勞診斷領域內的突出困擾提供新的、有效的思路和方法。本研究應用實驗研究法,探討是否可將皮電技術指標 SCL 應用于疲勞監控,并揭示應用時可能存在的價值作用。

      1 材料與方法

      1. 1 實驗模型的建立
      實驗對象基本情況表
      實驗隨機選取 2012 級體育學院大學生運動員 16名,分為男子組( M 組) 和女子組( F 組) 進行自身前后對照,其基本情況見表 1。實驗對象需進行一般醫學檢查,排除運動風險。運動方案則參照經典的 Bruce方案制定,即以 2. 7 km/h 的速度,10% 的最大坡度開始,每 3 min 遞增一級,整個方案共 7 級,最終速度將達到 9. 6 km/h,坡度則達到 22%最大坡度。實驗過程中以實驗對象不能維持運動強度,且反應時、RPE 和即刻最大心率達到疲勞數值確定運動性疲勞的產生。

      1. 2 實驗儀器

      聯合應用德國產 h/p/cosmos pulsar 4. 0 運動跑臺進行運動強度控制; 澳大利亞產 SCHUHFRTED 生物反饋儀收集皮電數據; 芬蘭產 SUUNTO 遠程心率遙測團隊系統采集即刻最大心率用于疲勞鑒定。

      1. 3 統計學處理

      實驗數據采用 SPSS20. 0 進行處理,使用獨立樣本t 檢驗,單樣本 t 檢驗,相關樣本 t 檢驗,單因素方差分析等方法分析所得數據,所有數據均用平均數 ± 標準差( Means ± SD) 表示,且以 P <0. 05 表示差異顯著,P< 0. 01 表示差異非常顯著。

      1. 4 運動性疲勞的確定
      疲勞判定相關指標表
      綜合選取了反應時、RPE 和即刻最大心率等指標,作為疲勞判定的依據。結果顯示,當 F、M 組運動員的即刻最大心率達到公式推導最大心率( HRmax,以年齡 20 為準) 的 105% ~ 110%,且與 160 hb/s( 80% HRmax) 相比差異非常顯著時( P <0. 01) ,兩組反應時均呈現不同程度的升高,但差異均不顯著( P >0. 05) ,不過此時兩組 RPE 卻都高于 18 ( 很累) ,且差異顯著( P < 0. 05) 。已有研究證實,心率、反應時、RPE 達到既定數值,即可確定疲勞的發生。提示或可應用現有數據,論述 SCL 疲勞產生時的圖形及數字特征。

      2 結果

      2. 1 SCL 曲線的狀態變化特征

      運動過程中安靜、疲勞、恢復的 SCL 曲線規律性變化,見圖 1 ~ 圖 4。依據 El - Sheikh曾證實的 SCL基線分布差異,將安靜 SCL 均值高于 8 μs,為高基線水平類( H 類) ; 低于 8 μs 為低基線水平類( L 類) 。
      從圖1 ~ 圖4 可看出,L 類女子安靜時曲線有明顯的波峰波谷,提示安靜時曲線具有周期性,周期大約為1 分 12 秒; 疲勞時,曲線出現較為顯著的雙波峰現象,顯示周期或縮短為安靜時的一半; 積極性休息并安靜坐臥后,曲線逐步恢復為單波峰,揭示周期再次延長。
      L 類男子安靜、恢復曲線類似于女子,但疲勞產生時曲線出現了數值變化幅度劇增現象。女子疲勞時 SCL值變化幅度僅為5 μs,男子卻可達10 μs。系統分析 H類曲線特征則又發現,一方面,圖 3 呈現 H 類女子安靜時值基本恒定,疲勞時曲線先于劇烈震蕩中上升,而后急速上升,值一度高達50 μs,在急速下降后,值長時間維持在 0 μs 小幅變換,最后呈小幅震顫上升,提示其疲勞曲線或可大致分成震蕩上升期、急速上升期、急速下降期、不應期等四個階段。恢復時曲線走行似疲勞,但變化幅度明顯降低。另一方面,圖 4 則反映,H類男子雖安靜曲線走勢類似于女子,但值的大小和變化幅度更高。疲勞時雖同樣擁有四期,但男子上升、下降期卻出現了劇烈的直線型變化,提示該類運動員產生疲勞時,SCL 值在上升、下降期可能出現短時巨變。恢復曲線則是開始長期處于 0μs,而后出現幅度逐步下降的震蕩上升。
    L 類女子運動員 SCL 圖
    H 類男子運動員 SCL 圖
     
      2. 2 SCL 值的狀態變化規律

      運動結束后,進行了 M、F 組安靜、疲勞、恢復的SCL 數值比較,結果見表 3。從表 3 可以看出,一方面,疲勞時 M 組 SCL 均值低于安靜狀態,高于恢復狀態,且差異具有非常顯著性( P <0. 01) ,提示男子由安靜到疲勞再到恢復的過程中,SCL 均值為依次下降的斜線型變化,疲勞時 SCL 值的大小介于安靜與恢復之間; 另一方面,F 組疲勞時 SCL 值高于安靜、恢復時,且差異同樣具有非常顯著性( P < 0. 01) ,表明女子為先上升再下降的倒 U 型變化,疲勞時 SCL 均值最大。
      安靜、疲勞、恢復的 SCL 值表
     
      3 討論

      3. 1 運動性疲勞發生過程中皮膚導電水平的特征性變化分析

      SCL 在運動員產生疲勞時,曲線、數值擁有怎樣的特征,存有哪些規律以及這些規律產生的根源,似乎值得探討。心理學、臨床醫學中業已存在 SCL 特征、價值、機制的闡釋。如 Roth等研究恐慌癥時表明,與正常人相比,患者的 SCL 呈下降趨勢。Storm研究早產兒時揭示,SCL 從 29 周胎齡開始出現上升。Er-ath研究父母教育方式與兒童外在行為關系時闡明,L 類兒童的關聯度強于 H 類兒童。臨床醫學、心理學中既有特征的闡明,又有相關關系的研討,最近則似乎更多注重技術優勢、信號處理的探究。Günther 等研究證實,皮膚電導每秒波動次數在重癥監護病房患者情緒評估中的作用,可能比一般主訴更為有效。蔡菁研究皮電信號處理方式時發現,將改進的禁忌搜索算法引入情感識別是有效的。分析已有研究或可發現,多以數值探討為主,曲線論證似較少涉及,且 SCL變化趨勢多為統一的上升或下降。臨床醫學與心理學領域內,SCL 的論證似已臻成熟,但目前運動醫學領域的研究卻非常有限,應用于運動性疲勞監控的,則更為匱乏。Lu 等利用生物反饋技術研究疲勞,發現血量脈搏、皮電、呼吸、皮溫和肌電圖曲線,均表現出鮮明特征。但文章似乎并未闡明所指疲勞是否為運動性疲勞,也未將 SCL 單獨分析。基于以上研究,本研究擬嘗試聯合應用多種國外先進精密儀器,以經典的Bruce 方案控制強度,以應用成熟的反應時、即刻最大心率、Borg RPE 表為疲勞判定依據,隨機選取的實驗對象主、客觀指標出現疲勞變化時,擬探討 SCL 在運動性疲勞時可能存在的變化特征。
      本研究表明,一方面,SCL 監控運動性疲勞表現為獨有的曲線、數值變化特征。疲勞曲線的變化顯著不同于安靜與恢復,可依性別、基線類別不同,而分別出現雙波峰、振幅劇增、四期變化、直線型巨變等不同表現形式。數值則是由安靜到疲勞再到恢復時,男子依次下降,女子先上升再下降,變化趨勢不統一。這在SCL 數值變化的既往研究中,尚未提及。疲勞時曲線、數值均具有顯著不同的新變化,即 SCL 監控運動性疲勞時,擁有獨特的曲線、數值變化特征,這或是 SCL 應用的新突破。另一方面,對運動至疲勞時 SCL 新特征變化的原因探討,似可豐富運動性疲勞產生機制的解釋途徑。臨床醫學中 SCL 特征性變化的原因論證,20世紀 80 年代就已開始。Banga研究發現,皮膚角質層或是離子電滲運輸的主要障礙。而 Kasting則認為,毛囊、汗腺導管等皮膚附屬物作為低電阻分流途徑的重要性,仍有爭議。目前探討似多以分析影響因素的某一方面為主,較少進行系統論證。但發生運動性疲勞時,若僅析某一方面,似難以解釋 SCL 較為復雜的變化。運動性疲勞產生時,SCL 的變化或可能存多種機制。疲勞時過大的負荷可能導致過度的汗液滲出,引起皮膚周圍離子轉運發生大幅度改變,甚至是紊亂,這可能是疲勞時值的下降、上升,曲線雙波峰、四期變化、增幅劇增、直線型巨變的原因; 同樣疲勞時也可能產生大量的自由基,這些自由基可能使交感神經傳導通路受到較大程度破壞,皮膚周圍膜受體、離子泵、離子信道、離子轉運蛋白等也可能同時受到較為嚴重損害,或引起交感神經過度興奮,汗腺活動極度異常,離子代謝紊亂,從而導致值的不同變化和曲線的不同表現特征。當然運動至疲勞時,似乎也可產生兒茶酚胺、5 - 羥色胺等抑制性神經遞質,其可能不僅作用于中樞及 α、γ 等運動神經元及其調控的肌組織,或同樣還可作用于交感神經及汗腺,引起皮膚電阻增加甚至紊亂,可能導致曲線出現直線型巨變、增幅劇增;而疲勞時伴隨皮膚周圍,尿素、肌酐肌酸和鹽類物質的大量分泌,可能此時產生了某些目前尚未被證實的代謝產物,而且男、女形成的產物性質迥異。此類代謝產物的堆積,或可使男子皮膚周圍電阻上升,女子下降,導致疲勞時男子 SCL 值下降,女子上升。長時間劇烈的運動,同樣或可使交感神經系統、皮膚活動有關激素、免疫抑素等發生劇烈變化。此時可能促使神經 - 內分泌 - 免疫網絡產生了另外的某種物質,此類物質可作用于皮膚,引起皮膚周邊的電子活動紊亂; 另外運動至疲勞時血液 pH 值下降,血漿滲透壓、電解質濃度可能發生改變。此時已然發生巨變的血液大量運輸至皮膚,極有可能引起皮膚周圍環境穩定性嚴重失調,導致疲勞時的特征性變化。疲勞可能是一些物質分泌增多引起,也可能是一些物質的含量下降引起的。運動至疲勞時,ATP、CP 含量急劇下降,血糖濃度持續降低,而此時消耗的能量無法及時有效地獲得補充,可能引起皮膚周圍離子轉運所需能量嚴重不足,或導致了離子轉運停滯,引起 0 μs 現象,即不應期的出現; 疲勞時 SCL 的變化也有可能是多種因素系統紊亂引起的,比如交感神經、汗腺活動、離子代謝,皮膚周圍肌肉組織等。

      3. 2 皮膚導電水平監控運動性疲勞的實踐應用價值

      疲勞時呈現特征性變化、個性機制的 SCL,對于運動實踐有何價值作用,似乎同樣值得深入探討。研究發現,SCL 價值作用突出,簡單實用,易于推廣,且疲勞時獨有特征性變化或可應用于運動實踐。SCL 值既對狀態變化敏感,又對性別差異敏銳,表明其科學性較強。SCL 曲線在不同基線水平男、女疲勞時,呈迥異變化,其中一些變化甚是劇烈,提示 SCL 曲線或可精密有效地實時監控運動性疲勞,時效性特點凸顯。若此技術優勢能有效應用,或可緩解現行某些疲勞監控手段的突出困擾。科學性、時效性突出的 SCL,其技術基礎皮電生物反饋技術在應用中還可顯現其他價值。皮電技術不同于血乳酸、CK 等生化指標需耳垂取血,其應用不會對運動員造成創傷或交叉感染。同時異于心電圖、表面肌電圖、腦電圖和其他生反技術,需電極片收集信號。皮電無需電極片,僅需對手指簡單消毒,中指纏繞精密芯片即可,操作簡單,易于掌握。且無需電極片,或意味著可節省大量資源耗費,這突出了經濟性強的特點。故實驗首次證實,SCL 監控運動性疲勞時,或可凸顯科學性、時效性、經濟性、易于掌握與推廣的實踐價值。
      擁有突出價值的 SCL,其應用于運動訓練實踐,或意味著無論運動過程中( 曲線比較) 還是結束后( 數值比較) ,SCL 均可提供精密、準確、有效、可靠的狀態信息。這或可幫助教練員、運動員及時掌控狀態變化,隨時調整運動強度,及時有效避免運動負荷不足或過度疲勞,切實提高運動訓練效果,大幅降低疲勞性損傷的發生頻率。SCL 值或可作為不同性別訓練隊訓練或比賽結束后疲勞鑒定、負荷制定及調整的精確依據。曲線則或可成為教練實時調控有重大比賽任務運動員負荷強度,制定個性化競技運動處方的有效手段。一方面,訓練結束后,教練員可根據運動員 SCL 數值的變化規律,及時掌控整個訓練隊男、女運動員的訓練效果,及時調整訓練隊訓練內容與強度。如女子運動員訓練結束后整體上 SCL 均值為不增長甚至是下降,那么或許意味著現有負荷可能過低,大部分女子運動員未達到一定的疲勞; 若是非常明顯的增長,那么可能現有負荷超過了大部分女子運動員的承受范圍,負荷強度或需進行適度地調整。另一方面,SCL 曲線則可用于教練或運動員訓練過程的實時監控,尤其是可以幫助教練員實時監控有重要比賽任務的運動員。當此類運動員 SCL 曲線未出現雙波峰、波幅劇增、四期變化或直線型巨變時,或可實時增加負荷; 出現相關表現并持續加劇時,或可實時減輕強度。SCL 的實時監控可能意義更為重大,教練員從此或可不必等到訓練結束后再調整負荷,在訓練過程中就可實時調控,這似乎可有效推進運動訓練的科學化進程。

      4 小結

      SCL 監控運動性疲勞時,顯示了其有獨特的曲線變化規律和數值變化特征,其曲線變化在疲勞時,顯著不同于安靜、恢復狀態,并顯現出性別特征。L 類女子出現雙波峰,男子振幅劇增; H 類女子出現四期變換,男子上升、下降期出現直線型巨變。其值在產生疲勞的過程中,同樣特征明顯。男子值下降,女子值上升,變化趨勢為倒 U 型和斜線型。其變化機制則可能與離子代謝紊亂,自由基大量產生,能量耗竭以及某些代謝產物的產生與堆積有關。SCL 特征和規律或可用于訓練隊疲勞的整體評判,運動員負荷的實時調控,可為運動訓練的科學化進程提供新航標。

      5 今后的研究

      盡管 SCL 監控運動性疲勞有一定優勢,但 SCL 也存在僅可反映某一方面疲勞的不足。雖早在 1966 年就已證實皮電或與中樞存某種聯系,但皮電與中樞之間具體存在怎樣的聯系,以及這種聯系在運動至疲勞時會有怎樣的表現,近年來卻鮮有報道。另外,SCL雖可一定程度上反應疲勞,但其能否精密反應肌肉、心肌等組織的疲勞程度,還有待進一步論證。
      今后似乎有必要進行更深度地探索。將生物反饋各項技術指標進行聯合應用,一方面或可探討疲勞時SCL 與 EEG 的 α、β 等腦波之間可能存在的相關系數,另一方面似乎也可闡明心肌疲勞、中樞疲勞、肌肉疲勞與交感神經汗腺之間可能的某些聯系。

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