二十四式太極拳練習過程中心率變異性各指標變化特征與對比分析研究

肖 賦 段德鍵

北京體育大學中國武術學院，北京 100084

1 前言

心率變異性（Heart Rate Variability，簡稱HRV），是目前臨床上認為能定量分析自主神經功能的有效方法，具有無創(chuàng)性和可定量性的優(yōu)點。[1]HRV長期應用于預測評估疾病進展中的死亡風險和包括糖尿病在內的慢性病的神經病變,[2，3]隨著HRV 在體育科學中的應用，HRV 逐漸成為了體育科學中最常用的訓練和恢復監(jiān)測工具之一。[4，5]近年來，利用HRV 評價和監(jiān)測太極拳運動得到越來越多報道和關注，但大多的研究都集中把HRV 作為太極拳的一種干預后的療效評價，對太極拳習練過程中心率變異性調查研究報告相對較少。同時，關于HRV 的指標在有關報道中表現(xiàn)出一定的異質性，指標所反映的內容和程度存在差異，給心率變異性指標的解釋造成了一定的難度。本研究將聚焦心率變異性指標在太極拳動態(tài)過程中的變化特征，為今后研究中的指標應用與闡釋提供參考。

2 研究方法

2．1 實驗法

2．1．1 實驗對象

表1 受試者基本情況一覽表

（1）本研究共招募45 名武術專業(yè)大學生為受試者。其中，男生26 人，女生19 人。（2）納入標準：年齡在18-24 歲間的在校大學生；武術專業(yè)學生；美國運動醫(yī)學學會PAR 問卷七個基本問題全部回答為“否”。（3）排除標準：已參與除本研究外的任何其它實驗者；時間沖突，與測試時間階段無法參與實驗者；有慢性疾病或重大患病史；有抽煙、喝酒等不良習慣；有喝咖啡的喜好或非服用含興奮成分藥物者。（4）剔除、脫落、終止標準。剔除標準：未按照實驗要求進行練習者，即為按照提示語音演練。脫落標準：實驗開始實施后要求退出或者其它各種原因導致失訪的受試對象。終止標準：出現(xiàn)嚴重不良事件如，關節(jié)脫位、骨折、心悸和眩暈等。

2．1．2 研究工具

芬蘭產（中國制造）博能表（team2）,對受試者進行心率以及心率變異性數據的采集。

2．1．3 實驗整體流程

實驗整體分為實驗前準備、實驗中數據采集和結束整理共三個部分。其中數據采集包括靜息數據；二十四式太極拳連續(xù)演練第一遍（0-5 分34 秒）、第二遍（5 分34-11 分08 秒）和第三遍（11 分08-16 分40 秒）的時間段數據；恢復期數據等5 個時間點，分別以T0、T1、T2、T3、T4 代表各時間點。

圖1 實驗流程及數據采集階段圖

2．1．4 實驗前準備

（1）物品:為受試者準備一些小零食，包括糖果，餅干，紙杯、水。濕巾兩大包，酒精一瓶，紙巾兩大包，小剪刀一把，記錄本1 個。（2）人員分工： A 負責引導、確認受試者狀態(tài)。B 和C 負責佩戴、摘除心率表。D 負責團隊心率軟件操作。（3）受試者測試前狀態(tài)確認：在實驗前3 天與受試者見面，建立微信群，并強調受試注意事項，簽訂受試者知情同意書。受試者在實驗前3 天，應該無大強度的體力活動，未吸煙、飲酒、咖啡以及服用興奮性飲品，不熬夜，晚上12 點前睡覺。實驗前1 天，在微信群中提醒受試者體力活動、飲食攝入以及睡眠的注意事項，晚上11 點前上床睡覺。

2．1．5 實驗過程

（1）測試當天狀態(tài)確認。測試當天，詢問受試者前一天晚上的上床時間、入睡時間、早晨清醒時間和起床時間；二十四小時內咖啡、藥物、酒精的攝入情況；體力活動情況：運動的種類、運動時間和強度。如不符合則延緩測試。（2）受試者測試環(huán)境適應。測試在上午9-12 點之間進行。一批測試10 人。將受試者電子產品收取并放置指定位置。向受試者強調實驗的重要意義，并詳細講解實驗的整個過程以及需要注意的事項。（3）佩戴儀器及其準備。心率注意用濕巾先擦濕潤polar 表袋，然后根據受試者體型進行大小調節(jié)，確認者感覺表帶略有一點緊。（4）靜息數據采集（T0）。采集坐位10 分鐘靜息數據。此時受試者處于坐位狀態(tài)，不能說話，不能閉眼，不能睡覺。如有咳嗽、哈切等現(xiàn)象將其發(fā)生時間點記錄。（5）二十四式太極拳運動過程數據采集（T1、T2、T3）。測量連續(xù)3 遍二十四式太極拳練習過程中的心率變異性指標，整個過程伴有背景音樂，同時配有語音控制實驗流程，保證受試者在每個連續(xù)的測試時間段內完成相同的動作和相同練習進度，共三個部分。（6）恢復階段數據采集（T4）。采集坐位10 分鐘恢復期數據，要求同靜息階段。（7）結束整理。部件消毒與清潔。清潔心率帶，保持設備外部清潔。

2．2 數理統(tǒng)計法

通過Polar Team2 軟件記錄靜息階段（T0）、二十四式太極拳練習階段（T1-T3）、恢復階段（T4），共5個階段的心率變異性相關數據，測試完畢后以“hrm”的文件格式導出數據。利用Kubios 軟件導入hrm 格式文件，截取各時間段相對平穩(wěn)的5 分34 秒數據，進行心率變異性數據分析，將數據結果錄入Excel 建立數據庫存檔。將數據庫相關數據導入SPSS25．0 軟件進行統(tǒng)計分析，運用單因素重復測量方差分析的統(tǒng)計學方法進行分析。

3 結果

3．1 心率（HR）

球形檢驗的P=0．000 ＜0．01，故采用格林豪斯-蓋斯勒校正法檢驗。結果表明，時間效應具有統(tǒng)計學意義（F=463．609，P ＜0．01）。主內對比檢驗結果顯示，更符合二次關系。兩兩比較的結果表明：不同時間段間均具有統(tǒng)計學意義（P ＜0．05），見圖2 所示。

圖2 不同時間點受試者心率變化示意圖

3．2 RMSSD

球形檢驗的P=0．000 ＜0．01，故采用格林豪斯-蓋斯勒校正法檢驗。結果表明，時間效應具有統(tǒng)計學意義（F=148．476，P ＜0．01）。主內對比檢驗結果顯示，更符合二次關系。兩兩比較的結果表明：不同時間段間均具有統(tǒng)計學意義（P ＜0．05），見圖3 所示。

圖3 不同時間點受試者RMSSD 指標變化示意圖

3．3 HF（n．u．）

球形檢驗的P=0．000 ＜0．01，故采用格林豪斯-蓋斯勒校正法檢驗。結果表明，時間效應具有統(tǒng)計學意義（F=189．725，P ＜0．01）。主內對比檢驗結果顯示，更符合二次關系。兩兩比較的結果表明：T2 與T3 時間點相比P=0．097 ＞0．05，其余個時間點成對比P 均小于0．01，說明T2 與T3 時間點相比HF 數值無統(tǒng)計學差異，其余各時間成對相比HF 數值均具有均有統(tǒng)計學差異。

圖4 不同時間點受試者HF 指標變化示意圖

3．4 LF（n．u．）

球形檢驗的P=0．000 ＜0．01，故采用格林豪斯-蓋斯勒校正法檢驗。結果表明，時間效應具有統(tǒng)計學意義（F=189．213，P ＜0．01）。主內對比檢驗結果顯示，更符合二次關系。兩兩比較的結果表明：T2 與T3 時間點相比P=0．086 ＞0．05，其余個時間點成對比P 均小于0．01，說明T2 與T3 時間點相比LF 數值無統(tǒng)計學差異，其余各時間成對相比LF 數值均具有均有統(tǒng)計學差異。

圖5 不同時間點受試者LF 指標變化示意圖

3．5 LF/HF

球形檢驗的P=0．000 ＜0．01，故采用格林豪斯-蓋斯勒校正法檢驗。結果表明，時間效應具有統(tǒng)計學意義（F=189．213，P ＜0．01）。主內對比檢驗結果顯示，更符合二次關系。兩兩比較的結果表明： T1 與T2 時間點相比P=0．075 ＞0．05；T1 與T3 相比P=0．056 ＞0．05；T2 與T3 相比P=0．565 ＞0．05，其余個時間點成對比P均小于0．01，說明T1、T2 與T3，三個時間點相比LF/HF 數值無統(tǒng)計學差異，其余各時間成對相比LF/HF 數值均具有均有統(tǒng)計學差異。

圖6 不同時間點受試者LF/HF 指標變化示意圖

4 討論與分析

4．1 太極拳運動過程中的HR 與HRV 指標變化特征的對比分析

在持續(xù)運動中，由于運動開始階段內臟器官的活動趕不上肌肉活動的需要，身體機能會出現(xiàn)“極點”狀態(tài)。如若繼續(xù)堅持運動，軀體神經和植物性神經機能水平將達到平衡，植物性神經的“惰性”將逐步得到克服，內臟活動逐步加強，心率將趨于平穩(wěn)，人體通過“第二次呼吸”克服了“極點”，隨后機體將從工作狀態(tài)階段進入穩(wěn)定狀態(tài)。人體的機能活動在一段時間內保持一個較高的變動范圍不大的水平上，這種功能狀態(tài)稱為穩(wěn)定狀態(tài)。在進行小強度和中等強度的長時間運動時，進入工作狀態(tài)階段結束后，機體所需要的氧可以得到滿足，即吸氧量和需氧量保持動態(tài)平衡，這種狀態(tài)稱為真穩(wěn)定狀態(tài)。[6]同時，有關研究中顯示，LF，HF 和TP 在運動強度增加的過程中全部顯示大幅度下降，但在強度進一步增加時又并未表現(xiàn)出進一步下降，這個強度范圍通常是120-180b/min。[7]綜上，人體運動過程中生理機能狀態(tài)的轉變其背后機理不僅表現(xiàn)在“極點”出現(xiàn)后，運動強度暫時性下降，同時來源于自主神經功能的變化。因此，在運動過程中自主神經系統(tǒng)對心血管活動起著重要的調節(jié)作用。[8]

本研究結果顯示，相比于靜息狀態(tài)（T0），受試者在二十四式太極拳運動中心率顯著性升高，從圖2可知，心率在從安靜狀態(tài)到運動結束后即刻呈上升趨勢，運動后呈下降趨勢，證明隨著時間的推移運動強度呈遞增變化。時域指標RMSSD 與心率變化一致，頻域指標LF、HF 在T0-T2 時間段間與心率變化趨勢一致，但T2-T3 無統(tǒng)計學差異。同時本研究中LF 與HF 無明顯變化的時間段（T2）對應的心率為114．16±13．76接近于120b/min，處于中等運動強度。據此，在運動過程中心率變異性頻域指標相較于心率指標先達到了穩(wěn)定，并穩(wěn)定在一個較高的水平中。而心率指標在運動期間雖均表現(xiàn)出顯著性差異，但從各階段的數值來看（T1: 97．86±11．41；T2：114．16±13．76；T3：118．43±14．49）可以明顯發(fā)現(xiàn)增幅在遞減，從而可以預見隨著運動的進一步持續(xù)，HR 也將保持在一定范圍內。在此，可以得出心率變異性頻域指標能更早的預見機體在運動中從工作狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)的生理變化。因此，在太極拳動態(tài)運動過程中心率變異性頻域指標相較于HR 指標能更好的反應機體生理狀態(tài)的變化。

4．2 太極拳運動過程中HRV 各指標間變化特征的比較分析

在有關運動強度監(jiān)測指標的研究中，除了將HR、主觀感覺量表和代謝當量等作為評價運動強度的主流指標外，也有研究發(fā)現(xiàn)了心率變異性評價運動強度的重要價值，這些研究表明，在增量運動中HF 衰減的分析可以作為確定與第一通風閾值相關的強度的一種額外方法(Cottin 等，2006，2007）。[9，10]Cottin 等在研究中提出，在低于通氣閾值的循環(huán)中，LFn 顯著升高，表明交感神經輸入占主導，而在劇烈運動中觀察到相反的情況，表明副交感神經輸入占主導。[11]Tanoue 等人的研究表明，運動開始后直到通氣閾值左右的HR增加主要是由于副交感神經活動的減弱。達到通氣閾值過后的HR 增加可能主要歸因于交感神經激活。[12]Michael 在研究中提到了運動期間心血管調節(jié)的模型，該模型指出運動的啟動，從更高級的大腦中樞將“前饋”信息輸入到髓質心血管中心，將動脈壓力反射重置為更高的工作點，觸發(fā)心率快速增加，主要是由心臟副交感神經降低引起的，即“副交感神經戒斷”。隨著運動強度的進一步增加，漸進性壓力反射重置以及肌肉代謝受體的傳入反饋觸發(fā)進一步的心臟副交感神經退縮和交感神經激活。[13]綜合上述的研究，其在通氣閾值前的自主神經變化特點提示副交感神經的減弱和交感神經的激活可能是同步進行的，但隨著時間的推移和強度的增加可能存在一種主次關系。同時，關于LF 的解讀有報道提出，LF 成分受副交感神經活動的影響比交感神經活動更強烈，[14]也有研究認為LF同時受到交感神經和副交感神經的共同影響，受交感影響更多。因此，單憑LF 難以說明交感或副交感神經的激活情況，在具體的研究中可能需要結合HF 和LF/HF 等指標加以說明。Tanoue 等還發(fā)現(xiàn)，在遞增負荷運動期間LF/HF 沒有增加，[12]并且表示LF/HF 不一定能反映運動期間的交感神經活動。在此之前也有研究報道了同樣的結果。[15-17]對此，Tanoue 認為可能由于LF受副交感神經活動影響更大，而HF 僅受副交感神經活動的影響。[18，19]運動期間的副交感神經活動隨著運動強度的增加而減少。[20-22]由于副交感神經活動的減少，LF 和HF 的降低可能是運動期間LF/HF 沒有增加的原因之一。

從本研究中心率變異性各指標間的變化來看，RMSSD 指標（時域指標）與心率變化一致，而LF、HF 與RMSSD 相比，在T2 與T3 無顯著性差異，主要是因為RMSSD 作為時域指標常被用于長時段的HRV數據監(jiān)測，一般為24 小時其數據結果會更加可靠，而LF 和HF 等頻域指標常被用于短時的HRV 數據的監(jiān)測，一般為5 分鐘其數據結果相較于時域指標結果更加靈敏和可靠。因此，在短時的數據采集中，頻域指標能更為敏銳地反映自主神經的變化。HF 和LF 指標的變化一致，LF/HF 在運動期間無顯著性變化，而HF和LF 在T0-T2 有顯著性變化、T2 與T3 無顯著性變化，也就是在運動的第一個時間段HF 與LF 顯著性減小和增加，在后兩個運動時間段則無顯著性差異。這與上述Tanoue 等人的結論有所出路，本研究中LF 并未下降，而是先上升再穩(wěn)定，而LF/HF 與其結果基本一致，但仍有上升變化的趨勢。在此，本研究認為從LF 指標來看，可以肯定的是其受到交感和副交感神經的共同影響，根據先前研究結果認為在通氣閾值強度之前的運動以副交感神經活性減小為主，通氣閾值后以交感神經激活為主。因此，從運動前到運動的第一個時間段LF 升高可能包含副交感神經減少和交感神經激活兩個部分，而后第二和第三個時間段機體可能從工作狀態(tài)進入真穩(wěn)定狀態(tài)，交感與副交感神經活性穩(wěn)定在一定范圍，但以交感神經占優(yōu)為主。而LF 仍主要受交感神經的影響，但在第一個時間段LF/HF 無明顯變化，可能還是來自于副交感神經的控制，雖然副交感神經活性在減少，但LF 對副交感神經反應相對靈敏，限制了LF 的增幅，隨后機體進入真穩(wěn)定狀態(tài)，自主神經趨于一種動態(tài)平衡，LF 穩(wěn)定在一定范圍內。因此，LF/HF 在運動期間無統(tǒng)計學上的顯著性差異，但在數值上呈上升趨勢。綜上，太極拳動態(tài)練習過程中，自主神經的活性變化并非簡單和線性的，多項研究結果提示可能存在一種交感神經與副交神經復雜的非線性的交互變化形式，就造成了LF 指標報告有較大的異質性現(xiàn)狀，但可以肯定的是，太極拳習練過程中交感神經相對占優(yōu)。因此，LF 在數據解讀上仍需要結合其它的頻域指標加以解釋。

5 結論

心率變異性頻域指標相較于HR 指標，可能更加適合監(jiān)測二十四式太極拳運動過程中的生理變化。二十四式太極拳動態(tài)練習過程中，心率變異性頻域指標相較于時域指標（RMSSD）更加靈敏和可靠，能更好地反映自主神經的變化。 二十四式太極拳動態(tài)練習中，LF 受交感和副交感神經的共同影響，但主要還是受交感神經的控制。在LF 的解釋上仍需結合其它指標。