优秀跆拳道运动员神经-肌肉疲劳状态下的VR眼动特征研究

陈 岩，尚张钰婷，郭振向，蒋帮华，包大鹏，刘昊扬

CHEN Yan，SHANG Zhangyuting，GUO Zhenxiang，JIANG Banghua，BAO Dapeng*，LIU Haoyang

0 前言

神经-肌肉疲劳（neuromuscular fatigue）是指机体出现由运动引起的肌肉最大力量或爆发力表现下降后，运动员即使依然可以继续训练或比赛仍被视为机体出现神经-肌肉疲劳（Bigland et al.，2010）。对于高水平运动员而言，及时、准确地评价出神经-肌肉疲劳对提升其训练效果和预防过度训练具有重要意义（Girard et al.，2008）。对于同场对抗类项目而言，教练员不仅关注运动员运动能力的下降，掌握此时其中枢机能的下降情况（包括注意力控制、认知及反应能力等）对于训练和比赛更加具有实践意义（韩晨霞 等，2016）。跆拳道是我国竞技体育潜优势项目，教练员更加需要关注运动员中枢机能的变化情况，如果能够及时发现运动员备战过程中神经-肌肉疲劳后其中枢机能的状态将会有助于其更好地进行备战。由于眼睛与大脑之间有着丰富的感觉和运动联系，中枢通过控制运动相关神经元的活动影响眼的运动，眼动是评价中枢机能状态的有效手段（田芸 等，2016），而虚拟现实（virtual reality，VR）与眼动追踪技术的结合能够为开展与运动相关的研究提供更多新的可能性（Clay et al.，2019）。因此，本研究采用VR眼动仪结合“舒尔特方格”“迷宫逃脱”“找不同”等经典的非侵入式认知评价手段来研究跆拳道运动员出现神经-肌肉疲劳后的眼动特征，以此发现跆拳道运动员神经-肌肉疲劳状态后其中枢机能的变化，并寻找能够反映其机能变化的眼动参数。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

测试前要求所有跆拳道运动员填写运动员心理疲劳问卷（ABQ问卷），从成就感、情绪/体力耗竭和运动的消极评价3个维度评价运动员心理疲劳程度，确保所有运动员无长期的运动与心理疲劳，最终筛选出24名跆拳道运动员参与本研究。受试者年龄19.45±2.14岁，训练年限为6.30±2.78年，其中，女性14名，男性10人，运动成绩均为全国比赛前3名。所有受试者均无色盲，视力或矫正视力正常，自愿参加本实验并签署知情同意书。

1.2 研究方法

1.2.1 实验设计

本研究通过下蹲跳（counter movement jump，CMJ）测试来评价跆拳道运动员是否出现了神经-肌肉疲劳，CMJ已被证明是评价神经-肌肉疲劳的有效手段（Gathercole et al.，2015a），广泛应用于精英运动员训练或比赛后所产生的急性及长期神经-肌肉疲劳的评测，训练后CMJ测试结果显著低于训练前，提示该运动员出现神经-肌肉疲劳（Gathercole et al.，2015b；Laffaye et al.，2014）。本研究共完成CMJ测试1 474人/次，最终筛选出现神经-肌肉疲劳的运动员73人/次。

本研究要求受试者完成3种不同类型的认知任务：

任务1：“舒尔特方格”任务，用于评估受试者的注意力水平，是一种有效的评估注意力控制和转移水平的测试工具（Gordeev et al.，2008）。本研究采用5×4的舒尔特方格（图1A），数字1～20以伪随机的方法产生并排列在各个方格中，受试者以尽可能快地速度按照1～20的顺序找出每一个数字并读出，在规定的时间内所找到的最后1个正确的数字作为该任务的最终测试结果，数值越大表示受试者的注意力控制水平越强。每次任务要求受试者完成3次“舒尔特方格”测试，每次持续时间为10 s，间隔时间为2 s。

任务2：“迷宫逃脱”，用于评价受试者的工作记忆能力（李霞等，2009）。任务中的每个迷宫都通过程序自动生成，难度等级为：普通（Normal），路径数量为13×13，即每列和每行均有13条路径，确保前后任务难度一致（图1B）。每次任务要求运动员完成3次“迷宫逃脱”，每次持续时间为10 s，间隔时间为2 s。

任务3：“找不同”，选择这一经典的视觉搜索研究范来评价受试者的视觉敏感性。本研究选取与跆拳道项目相关的情景图片224张，经过专业人士修改和编辑，最终生成224组任务图片，图片分辨率均为1 920×1 080 pixel，每一组任务图片均只有一处不同（图1C）。每次任务要求受试者找出3组图片中的不同，每次显示时间为10 s，间隔时间为2 s。

图1 任务示意图Figure 1. The Diagram of Task

1.2.2 实验设备

纵跳测试仪：采用电子纵跳测试仪进行CMJ测试，分度值为0.1 cm，精度为1%F·S。

VR眼动仪：采用基于角膜反射法追踪技术的aSee Pro VR眼动仪及与其相匹配的HTC Vive VR眼镜采集和记录运动员完成特定任务过程中的眼动轨迹，采集频率为 120～380 Hz，视场角（FOV）为 110°，精度为 0.5°，VR眼镜双眼分辨率为2 160×1 200 pixel，刷新率为90 fps。采用aSee Studio VR眼动分析软件分析所采集的信息，得到运动员完成任务过程中的瞳孔直径、眼跳幅度、眼跳速度、平均注视时长和总注视次数共5个眼动参数。

1.2.3 测试流程

每天上午正式训练开始前准备活动之后、下午训练结束后测试运动员的CMJ成绩，测试时要求运动员双手叉腰，准备好之后快速下蹲并向上跳起，测试3次取平均成绩作为最终成绩。

每个训练日训练前、训练后进行眼动参数测试，测试流程为：1）连接好数据线并打开测试电脑；2）打开测试程序“teakwondo.exe”；3）点击“play”进入测试操作界面，并确保界面右侧的3个绿灯为常量状态；4）测试人员辅助受试者佩戴VR眼镜，并将显示质量调至最佳；5）采用“3点校准”对设备进行校准，确保校准后评分＞85分；6）测试人员选择测试任务并介绍测试要求；7）正式开始测试，分别按照测试要求完成3种不同类型的认知任务；8）测试结束后，测试人员检查测试结果是否完整记录。

为了保证测试的严谨性和前后一致性，所有测试均由同一批测试人员在同一地点进行，并且确保测试环境不受外光线的影响和干扰。

1.2.4 数据统计分析

采用SPSS 25.0统计软件对测试数据进行分析，结果以M±SD表示。首先对训练前后任务完成结果和眼动参数进行正态性检验（Shapiro-Wilk检验），对服从正态分布的数据进行配对样本t检验，不服从正态分布的数据采用2个相关样本非参数检验，比较训练前后任务完成结果和眼动参数的差异并计算其效果量；完成不同类型认知任务时的眼动参数对比采用Friedman非参数秩和检验。配对样本t检验效果量（r）的计算方式为：

结果为0.010表示效果量小，0.059表示效果量中，0.138表示效果量大。K非参数检验效果量（r）的计算方式为：

结果为0.1表示效果量小，0.3表示效果量中，0.5表示效果量大（Fritz et al.，2012）。

2 研究结果

2.1 训练前后任务完成结果对比

对比训练前后完成任务的结果发现，当跆拳道运动员出现神经-肌肉疲劳时，其训练前后完成“舒尔特方格”任务、“迷宫逃脱”任务和“找不同”任务的结果无显著性差异（图2）。

图2 认知任务完成结果对比Figure 2. Comparison of Task Performance

2.2 训练前后完成不同任务时眼动参数对比

2.2.1 “舒尔特方格”任务

与训练前相比，出现神经-肌肉疲劳的运动员训练后完成“舒尔特方格”任务时瞳孔直径显著增大（t=-3.31，P＜0.005，r=0.13），眼跳速度显著加快（Z=-2.90，P＜0.005，r=0.34），但眼跳幅度、平均注视次数、总注视次数训练前后均无显著性差异（图3）。

图3 完成“舒尔特方格”任务时的眼动参数对比Figure 3. Comparison Parameters of Eye Movement in Schulte Grid Task

2.2.2 “迷宫逃脱”任务

出现神经-肌肉疲劳的运动员训练前后完成“迷宫逃脱”任务时瞳孔直径存在非常显著性差异（t=-6.67，P＜0.001，r=0.38），但眼跳幅度、眼跳速度、平均注视次数、总注视次数训练前后均无显著性差异（图4）。

图4 完成“迷宫逃脱”任务时的眼动参数对比Figure 4. Comparison Parameters of Eye Movement in Labyrinth Escape Task

2.2.3 “找不同”任务

出现神经-肌肉疲劳的运动员训练前后完成“找不同”任务时瞳孔直径存在非常显著的差异（Z=-4.62，P＜0.001，r=0.54），眼跳速度具有显著性差异（Z=-3.36，P＜0.005，r=0.40），但眼跳幅度、平均注视次数、总注视次数训练前后均无显著性差异（图5）。

图5 完成“找不同”任务时的眼动参数对比Figure 5. Comparison Parameters of Eye Movement in Odd One Out Task

2.3 完成不同任务时同一眼动参数的对比

采用Friedman非参数秩和检验对比出现神经-肌肉疲劳的跆拳道运动员训练后完成任务时的各个眼动参数。结果表明，完成不同任务时其瞳孔直径大小具有非常显著性差异，χ2（2）=123.452，P＜0.001；眼跳幅度具有非常显著性差异，χ2（2）=164.548，P＜0.001；眼跳速度具有非常显著性差异，χ2（2）=136.175，P＜0.001；平均注视时长具有非常显著性差异，χ2（2）=47.923，P＜0.001；总注视次数具有非常显著性差异，χ2（2）=152.405，P＜0.001。统计结果表明，跆拳道运动员完成不同类型的认知任务时表现出不同的眼动特征。

3 分析讨论

研究结果表明，跆拳道运动员出现神经-肌肉疲劳后其唤醒水平过高，其视觉敏感性显著降低，瞳孔直径和眼跳速度可作为评价出现神经-肌肉疲劳后其中枢机能状态的有效指标。跆拳道运动员完成不同任务时表现出不同的眼动特征，其各个眼动参数之间差异性非常显著。统计结果表明，“找不同”任务是本研究中最能反映跆拳道运动员出现神经-肌肉后中枢机能状况的测试任务，该任务对跆拳道运动员眼动参数变化影响最大，运动员完成该任务时瞳孔直径显著变大、眼跳速度显著加快。

3.1 跆拳道运动员神经-肌肉疲劳状态下的眼动特征

本研究中所提到的瞳孔直径指的是受试者左右眼瞳孔直径的平均值，瞳孔直径与中枢机能下降的相关程度比较高，能灵敏反映中枢机能下降的程度，是检验中枢机能下降的有效指标（韩晨霞等，2016）。通过眼动参数对比发现，训练后完成认知任务时跆拳道运动员瞳孔直径显著增大，这与一些研究的结果并不一致（王焱源，2007；Yamada et al.，2014），其原因可能是由于诱发疲劳的方式与受试者不同，此外，不同项目运动员之间是否存在差异也有待进一步研究。有研究表明，信息加工负荷和任务难度增加会引起人瞳孔直径的增大，本研究所采用的任务难度并没有增加，其原因可能是运动员产生神经-肌肉疲劳之后信息加工负荷增大，即使任务难度没有增加，而神经-肌肉疲劳的产生造成任务难度相对训练前有所增加，使得运动员的瞳孔直径显著增大。瞳孔直径的变化可以反映受试者唤醒水平的变化，不同的运动项目对唤醒水平有不同的要求，跆拳道作为一项对协调性、精确性和稳定性都要求非常高的技能主导类同场对抗性项目，要求跆拳道运动员在训练和比赛中保持较低的唤醒水平（季浏，1992）。但本研究结果表明，出现神经-肌肉疲劳后跆拳道运动员的瞳孔直径显著增大，认知神经科学领域专家认为这与其自主神经系统异常所导致的过高的唤醒水平有关（Louwerse et al.，2014），过高的唤醒水平会导致跆拳道运动员比赛过程中无法获取很多关键信息，从而导致其无法做出正确的决策影响其运动表现。

眼跳指的是快速的眼球运动，是所有眼动参数中速度最快的一个指标，眼跳速度则是指单位眼跳持续时间内眼跳的距离（角度），最高速度为400～600°·s-1，它能够反映眼镜对视觉信息的敏感度（田芸等，2015）。研究表明，相比于其他眼动参数眼跳速度能够更加客观、更加准确地反映潜在的神经反应（Leigh et al.，2006）。本研究发现，训练前后出现神经-肌肉疲劳的运动员完成认知任务过程中其眼跳速度显著加快，这与过往研究得到的结果并不相同（De Gennaro et al.，2001；Yamada et al.，2014）。本研究测试所得的眼跳速度远超过正常的眼跳速度，这种现象称之为眼跳抑制，由于眼跳的速度极快，导致眼睛对视觉信号的敏感度大大降低，几乎无法获得任何有效信息（田芸等，2015）。在跆拳道及其他同场竞技格斗类项目中视觉信息的获取发挥着十分重要的作用，运动员需要迅速从大量的复杂信息中提取有用信息并快速加工后做出反应，其信息加工质量越高，做出的临场决策方式会更加合理。过快地眼跳速度则会导致跆拳道运动员在产生神经-肌肉疲劳之后无法在比赛中获取有效信息，对于顶尖运动员来说，这些细微的差别会影响最终的比赛结果。

3.2 基于任务的眼动参数对比

本研究发现，完成不同任务时跆拳道运动员的瞳孔直径、眼跳幅度、眼跳速度、平均注视时长、总注视次数均具有非常显著性差异，说明其完成评估不同认知能力的任务时表现出不同的眼动特征。这可能与任务本身想要达到的评价目的有很大关系，受试者完成不同难度、不同类型任务时均表现出不同的眼动特征（王宇等，2014；张学民等，2008），其原因可能是跆拳道运动员在完成不同类型的认知任务时采用了不同的策略。

完成不同类型任务时跆拳道运动员表现出不同的眼动特征，究竟哪种类型的认知任务最能反映其神经-肌肉疲劳状况也是本研究想要探究的问题之一。效果量是反应自变量和因变量关联强度的指标，与差异显著性检验不同，效果量不受样本容量大小的影响。通过效果量可以了解自变量作用的大小，在同一个实验中，如果有几个自变量，可以根据效果量的大小对自变量的重要性进行排序。3种不同类型的认知任务中“找不同”任务与训练前后瞳孔直径、眼跳速度的变化相关性最强，通过这个任务再结合眼动信息能够有效地评价跆拳道运动员的中枢机能状况。另一方面原因可能是3种不同类型的认知任务中，只有“找不同”任务采用的场景与跆拳道项目相关，有研究表明，高水平运动员在处理运动情景信息的过程中寻找关键信息的能力具有明显的优势（张学民等，2008）。因此，本研究认为，设定任务时尽可能地选用与运动项目相关的运动情境作为测试内容，再结合反应眼动特征的参数能够更加客观地评价运动员在情境中地信息加工能力，采用这种方式更能够准确地评价神经-肌肉疲劳后其中枢机能状况（殷恒婵等，2006）。

3.3 训练前后认知任务完成情况对比

本研究发现，发生神经-肌肉疲劳的跆拳道运动员训练完成特定任务的结果无显著性变化，这与以往报道中枢疲劳会影响人的多种认知能力，如注意力、动机及工作记忆能力（Chaudhuri et al.，2004；Hopstaken et al.，2004；Yamada et al.，2014）并不一致。以往研究均是对脑力工作疲劳时的认知进行研究，虽然跆拳道运动员训练比赛中需要注意力高度集中、需要根据场上复杂情况做出正确的决策，但其中枢机能的下降与通常意义上的脑力疲劳仍不尽相同。通过相关任务评价其认知能力并不够敏感，需要在完成特定任务的过程中观测分析其眼动参数才能了解具体中枢功能下降的情况。

跆拳道属于近身格斗类运动项目，运动员面临的是一个瞬息万变的场景，其认知能力决定了面对复杂多变的赛场环境所采取什么样的应对策略，这是赢得比赛的关键要素。注意力控制水平是评价注意力水平的一项重要内容，是其他各种认知活动的基础（王党校等，2004）。跆拳道运动员只有具备良好的注意力控制能力才能集中精力去清晰地感知赛场上的变化，才能在高强度对抗的比赛中获得一定的优势。工作记忆能力是运动员执行注意、感知运动情景、决策的核心要素，对于从事开放性运动技能的跆拳道运动员来说尤为重要，其原因是工作记忆能力较低的运动员更容易产生与比赛或训练无关的想法（段再复 等，2017；Furley et al.，2010）。有研究报道，工作记忆容量在复杂情境中可以预测注意控制能力并在战术决策中扮演者重要角色（Furley et al.，2012），这正是跆拳道运动员赢得比赛所需要的关键能力。此外，能否在对手快速移动的情况下锁定对手并找到对手的破绽，继而采取有效的技战术决策是战胜对手赢得比赛的关键。因此，在备战的过程中除了提升跆拳道运动员的体能、技能和战术能力，还需要进一步有针对性地提升其视觉敏感性，从而能够准确、快速地获取关键信息，这也是高水平运动员和低水平运动员在视觉信息加工阶段产生重大差异的原因（吴璇等，2017）。

4 结论与建议

跆拳道运动员出现神经-肌肉疲劳后其唤醒水平过高，其视觉敏感度大大降低。“找不同”任务结合完成任务过程中的瞳孔直径和眼跳速度能够作为评估跆拳道运动员的中枢机能下降的有效方式。

建议将眼动追踪技术运用到运动员的奥运备战训练工作中，通过记录和采集完成特定任务过程中的眼动参数来评价运动员出现神经-肌肉疲劳时的中枢机能状态。如果发现训练后运动员的瞳孔直径显著增大、眼跳速度显著加快，则说明其中枢机能下降，需要在传统恢复方法手段的基础上采取额外的方法手段来消除中枢机能下降所造成的不良影响，教练员可以根据测试评价结果及时调整训练计划和训练策略以取得最佳的训练效果、降低赛前出现运动损伤的风险，为运动员最终在比赛中取得优异成绩奠定坚实的基础。