浅析Omegawave系统的基本原理与应用

刘 珂

1 引言

Omegawave系统是美国Omegawave Technologies LLC开发的一种测试系统，能够针对心脏系统和中枢神经系统进行身体机能的评价，其特点是简单方便，反馈及时。这种监控方法，充分应用了“训练窗”理论，对于精英运动员的个性化训练提供了试试的可能性和可操作性［1］。通过长期的Omegawave机能状态监控可以准确把控运动员在训练阶段中竞技状态的变化，提高训练效率，避免过度疲劳和运动损伤。

目前常用的生化指标以及心率指标的监控虽然能够起到不错的效果，但只能反映心脏和机体功能，不能反映出运动员的中枢神经系统的状态。且生化标本的采集是有创的，在采血之后很多项目的训练是受限的，获得结果时间较长。而Omegawave测试能够通过无创的测量方式一次性获取心脏功能、中枢神经机能状况、植物神经系统等生物学参数，并对运动员的机能状态做出实时的综合性诊断和评估，为教练员安排训练计划及赛前准备提供参考。

2 Omegawave系统的基本原理

2.1 心脏功能系统

心脏系统的功能状态能够反映多级系统在适应训练负荷过程中调节心脏功能的综合反应。其作用是形成关键有效的适应，从而改善运动员的训练状态。功能状态水平是心脏系统执行此功能的一个重要指标。Omegawave用心率带进行采集静息心率（RHR）和心率变异性（HRV），通过仰卧3-5分钟的评估，采用专有的模型和算法全面分析和确定压力水平、功能储备，以及心脏系统的恢复模式，最终评估心脏系统的功能状态，反映了对训练负荷准备情况的准确图像。

静息心率能够反映身体的机能状态，如果一个运动员在疲劳状况下，静息心率会明显高于平时正常状态。而在过度疲劳状态下，达到平时训练的心率其主观疲劳感觉会增加，且恢复时间更长［2］。

心率变异（HRV）是指逐次心动周期之间的时间变异系数，即心率快慢的变化差异和规律，一般通过R-R间期来计算。正常情况下，由植物神经系统调节心血管功能，使窦房结按照一定的节律搏动，而这种内在的平衡会在机体疲劳或出现疾病时被打破，从而引发HRV的改变。而植物神经由交感神经和副交感神经两大神经系统所支配，二者是相互拮抗的，副交感神经使心率变慢，而交感神经使心率变快［3，4］。

交感神经与副交感神经二者相互制约达到动态平衡。当机体出现疲劳时，交感神经和副交感神经失去平衡，心跳节律和心血管系统功能紊乱，从而表现出心率变异。通常用心率变异来表现体液调节。HRV随着疲劳程度的增加而升高［5］。

促使运动员产生HRV改变的主要因素是运动量、运动强度和训练时间。运动员心率变缓的最主要原因是心肌重构，使心自主神经调节达到新的稳态。当训练负荷达到一定程度时，迷走神经兴奋以减少心肌损耗，减轻心肌负荷，从而保护心肌收到进一步的损伤［6］。

影响HRV的生理因素很多，除了性别、年龄、体型等因素外，情绪、心理、性格等心理因素、呼吸、运动、血压、月经周期以及睡眠等均对HRV产生不同程度的影响。同时，神经源性疾病、心血管疾病、内分泌等病理因素均可能影响结果［7］。因此，想要准确评估运动员当前的心脏功能状态，需要与运动员进行进一步的交流与沟通，以排除上述的影响因素。

Omegawave通过心率带测量，主要采用时域和频域分析法，获取各种参数，对运动员的心功能进行评估。时域分析获得参数有R-R间期标准差SDNN，SDSD，R-R间期差的均方根RMSSD，通过非线性HRV分析法，计算心率变异的散点图和柱状图，如图一所示。如果R-R间期在正常调控范围内，散点图会在绿色区域，且分布比较均匀，柱状图呈正态分布，如果交感神经紧张，则散点图会和柱状图聚集，副交感神经紧张，则比较分散。

图一 心率变异的散点图和柱状图

频域分析获得参数有低频均值LF、高频均值HF、交感-迷走神经平衡指数LF/HF等。

通过低频和高频计算频谱图，如图二 所示。一般认为，LF增多表明交感神经兴奋，HF增多，则表现为迷走神经兴奋［8］。

图二 频谱柱状图和频谱图

图三为Omegawave系统测试的心肺调节系统的评估结果，根据左右两图的具体参数，给出心肺调节系统功能状态和压力的评分（1-7分，7分为最好，1分为最差）。

图三 心肺调节系统功能状态

2.2 中枢神经系统

大脑激活程度或唤醒水平决定了中枢神经系统（CNS）处理内部和外部信息并做出适当反应的能力。中枢神经系统准备良好或处于最佳激活状态对于运动员掌握技术和战术技能，认知控制，情绪调节，精神和运动活动的协调等起积极作用。中枢神经系统也对心理准备状态和心理韧性起决定性影响，并且能够反映精神疲劳状态［9］。

Omegawave使用大鱼际线和大脑前额测量大脑的超低生物电信号（范围在0到0.5Hz）。并对对这一信号进行分析与评估中枢神经系统状态。分布在头部表面的频率反映了大脑的激活程度——从深度睡眠到高唤醒水平。脑前叶的活动与认知功能有关（感知，注意力，记忆力，准备能力等），同时它还能够调节肌肉张力并协调自主运动，姿势等。大脑中存在直流电位，是安静时在皮层表面之间或皮层与皮层下之间呈现的电位差。这种点电位在无外界刺激影响时这种电位差能保持相当稳定，因此也叫作“恒定电位”（SP）［10］。因此Omegawave采用静息状态下直流电位来记录中枢神经状态，反映休息时的状态和处理即将到来的符合准备程度。

直流电位与呼吸，周围的氧合作用，中枢和外周血流动力学的变化有关［11］。大脑的直流电位测量大脑极低控制系统的活动水平，反映了觉醒和精神活动的水平，抵抗竞技准备能力发展过程中的压力、代偿能力和生物适应成本。在更复杂的层面上，直流电位反映了系统间的协调程度。直流电势反映了运动员大脑活动和中枢神经系统准备状态的一般水平［12］。直流电的潜在动态变化和特征（振幅，形式，稳定时间等）代表适应了当前运动强度后的大脑代谢平衡变化，并且它还与认知和心理负荷相关［13］。直流电位的显著变化与代谢系统维持脑内稳态平衡能力的下降有关，这将影响认知和情绪控制，增加焦虑并导致出现错误和运动表现水平下降。

直流电位一般在25-45mV处于最佳状态，过低（＜0mV）代表中枢神经处于极度疲劳状态，对认知活动、学习能力下降，过高（＞45mV）表明精神活跃度紧张，由于高度紧张状态导致大脑终身机制的调节功能降低，身体适应能力变差。同时，根据稳定的时间和直流电位的图形最后评估中枢神经的状态，用来反映中枢神经系统的状态、休息的状态和处理即将到来的负荷的准备程度。图四为Omegawave测试的中枢神经结果。结果会对中枢神经系统准备状态给出评分（1-7分，7分为最好，1分为最差）。

图四 中枢神经系统准备状态

3 Omegawave监控的应用

Omegawave将身体需要发展的素质分为四个模块：耐力、速度&爆发力、力量、协调能力&技巧。通过测试，评估运动员的当前准备状态，根据运动员对先前负荷的生理适应的频繁监测和分析，确定新负荷的有效时间框架，也叫窗口，分析运动员适合训练哪个模块。一方面使训练达到最佳效果，另一方面避免运动损伤。如图五所示，如果身体机能不适合某一类型的运动，训练窗口就会关闭，此时不应该尝试训练关闭的窗口，这时可以训练其他身体素质。同时还显示需要发展的身体素质的靶心率。Omegawave的应用理念打破了一贯地以教练员为主体的训练体系，主要是以运动员为主体，通过对运动员当天的心脏功能与中枢神经准备状态来确定训练计划，最大程度提高训练效果，有效预防运动损伤。

图五 Omegawave总体结果和训练窗

经文献查询，目前我国多个国家队、省队以及高校都使用该设备，涉及的项目有足球、皮划艇、赛艇、射击、射箭、手球等。但目前我国报道的文献中，Omegawave更多地运用于训练强度与负荷的监控，而非指导训练［14，15］。

如果训练前进行测试，根据当前运动员的身体准备状态去制定训练计划才能使该设备达到最佳效果。同时需要指出的是，单次的Omegawave测试只能反映当时的状态，重要的是跟踪短期和长期适应各种形式的负荷，以便成功地管理训练过程的每个阶段（即：单次训练，小循环、大循环，训练板块，顶端/达到峰值）。这些信息可用于评估正在进行的适应过程，并采取相应措施调整训练过程。