一次性力竭运动及性别对体育专业大学生心率变异性的影响研究

曹莹莹，周 武，贺亚楠，池爱平

（陕西师范大学体育学院，陕西 西安 710119）

运动过程中机体受到刺激产生主观以及生理疲劳是一种正常现象。运动性疲劳是由于在运动训练过程中，引起机体机能水平下降或运动能力降低，从而无法坚持一定的运动强度，但经过适当的休息调整后可以调理恢复过来的现象。人体在运动过程中机体体内乳酸堆积过多、酸碱度失衡、代谢产物自由基堆积、机体内环境稳态失衡、大脑皮质分泌多巴胺，进而促使机体疲劳的产生。运动性力竭主要指机体的主观感受已经感觉到疲劳，但仍坚持运动直到骨骼肌与器官不能维持运动状态的一种过度训练形式。有研究证明，适量的运动负荷可以有效提高心脏功能、增强免疫力，有利于防治心脏惰性，但大强度负荷运动在一定的程度上与心脏的病理性损伤有关，易造成机体中各个细胞、组织、器官、系统发生病理变化，对人体心脏产生不良的影响，影响运动员的健康状态及训练效果。

心率变异性（Heart Rate Variability，HRV）是指心脏中的窦房结节律性跳动在一定的周期内连续R-R间期发生规律性变化的现象。其是一种间接衡量心脏自主参数评价心脏自主神经功能的指标，主要反映交感神经张力与迷走神经活性的平衡，在运动康复、竞技体育、大众健身等领域运用广泛。

如今HRV作为一项非侵入性监测运动中心脏自主神经变化过程的指标，多针对不同运动项目的运动员（国家二级运动员水平及以上）进行研究，而对于体育教育专业大学生的相关研究十分有限。随着“健康中国”战略的提出，体育专业大学生作为体育教育事业的储备人才，以社会需求为出发点，应注重体育专业大学生多样化学习与多样性发展。体育专业大学生在增强体质方面理应作为最优股，在注重发展理论课的同时，应加强提升其运动技能，然而目前的高校体育教育对科学有效地指导体育教学与运动训练存在不足，合理掌握疲劳与恢复的平衡度尚有缺陷。由于HRV测试对实验要求的严密性与实验仪器的精准性较高，在查阅相关文献可知，对探索力竭状态后体育专业大学生的相关报道更是少数。因此，本文通过Bruce跑台运动方案搭建力竭运动模型，以体育专业大学生为实验对象，通过记录运动前、后与恢复的HRV和评估其他相关疲劳指标，研究一次性力竭运动及性别对体育专业大学生心率变异性的影响。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以一次性力竭运动及性别对体育专业大学生心率变异性的影响为研究对象。

1.2 研究方法

通过中国知网等数据库，查阅与本文研究相关的文献，为本文研究提供理论支撑。

（1）实验对象。以S大学校的40名体育专业大学生为实验对象，分为男生组（20名）、女生组（20名），年龄为18～22岁，在知晓其实验流程与运动风险的情况下，自愿参加本实验。所有实验对象身体指标正常，没有病史，心脏功能未出现异常，无烟酒嗜好，没有过严重的运动损伤，生活习惯规律，实验前一周未熬夜、酗酒、服用药物，实验前48小时内没有情绪大幅度波动和饮用浓茶或咖啡，保证实验者睡眠良好未进行过剧烈运动，女实验对象均不处于月经期。（表1）

表1 实验对象基本情况 N=40

（2）测试指标。生理指标：实验对象在进行Bruce运动跑台干预前后与疲劳相关指标，选择反应时、闪光临界融合频率、收缩压、舒张压、血氧。疲劳量表：采用主观感觉量表（RPE）。HRV指标见表2。

表2 HRV指标 N=40

（3）测试仪器。本文实验通过运动跑台（h/P/cosmos cos10253 德国）来完成递增负荷实验方案。Bruce方案是通过调整步频速度与跑台坡度实现力竭运动（表3）。HRV测试采用 HRV检测仪（ ActiGraPh GT9X Link，美国），HRV采集的数据通过Actlife软件以HRV报告导入电脑。在Kubios HRV Premium3.3.1中处理并分析HRV的时域和频域指标，疲劳指标采用傅里叶频谱分析方法。生理指标测试仪器主要有：闪光融合频率主要由BD-Ⅱ-118 型（北京青鸟天桥）仪器采集，反应时由华东师范大学科教仪器厂 EP206-P采集，血氧饱和度由血氧饱和度监测仪（PM-50）采集。

表3 Bruce跑台的递增负荷方案

（4）测试方法。测试前，让实验对象仰卧，佩戴Polar心率带，保持实验环境安静、温度适宜，记录运动前5min安静时长。测试实验对象的生理指标，确保实验对象在精力充沛状态下完成实验。与此同时，按照机器规定时间进行预热并要求实验对象静坐5min，记录稳定后的心率数据，再次向实验对象简明扼要讲述测试要求，消除实验对象内心恐惧并做出相应的热身活动。实验对象佩戴Polar心率带和GT9X设备，检查是否正确穿戴跑台安全带，并开始按照Bruce方案进行运动，当负荷每次递增的时候询问一下实验对象的自我感受，防止意外发生，直到实验对象的运动节奏明显混乱、主动示意已无法继续运动或者心率已超过180次/min时，即判断实验对象已达到一次性力竭，测试随着跑台降速渐停，并在运动后5min将实验对象置于绝对安静的环境中，使实验对象达到最大的恢复效果，更好地反映实验对象的心肺功能，保证实验的有效性，并记录心率以及生理指标。

判断实验对象达到力竭的主要依据：实验对象的心率已达到最大心率的75%～85%或心率超过180次/min；实验对象主观感受上达到运动能力衰竭已无法坚持运动；实验对象在运动时询问中RPE量表已达到19～20。

2 结果与分 析

2.1 运动性疲劳生理指标的测试结果

研究显示，运动前后生理指标均发生了变化。在实验过程的两个阶段中，心率、收缩压、舒张压呈现明显上升趋势，且运动前与运动后差异均有显著性。实验对象的心率均呈现极显著性升高（＜0.01）， 表示在运动过程心率与运动负 荷成正比。男生组运动后的收缩压与运动前相比明显上升（＜0.05），舒张压无显著性变化（＞0.05）；女生组运动后的收缩压较运动前相比呈极显著性升高（＜0.01），而舒张压无显著性变化，表示实验对象在运动过程中血液重新分配速度加快，其动脉血压发生变化。男生组与女生组的血氧数据在运动后与运动前相比均出现明显下降，表示随着运动负荷量的增加，其血乳酸浓度上升，机体中氧和血红蛋白呈下降状态。实验对象在运动后与运动前相比，其反应时与平均反应时都出现反应时间延长变化，且在女生组中总反应时间呈显著性增加（＜0.05），表明实验对象在运动后疲态程度较深。运动前，男生组与女生组的闪光融合临界频率数值高，与运动后进行比较，男生组和女生组均达到了不同的疲劳程度：男生组为重度疲劳，女生组为中度疲劳。（表4）

表4 男女生组运动前后生理指标变化结果

2.2 男女生组力竭运动前后时域指标测试结果

研究显示，在运动前与运动后两个时间段中，SDNN、RMSSD、PNN50值在运动后均出现明显下降趋势，且运动前与运动后相比较呈极显著性差异（＜0.01）。女生组运动前的SDNN值比男生的低，女生组运动前的PNN50值与男生相比大致相同；运动后比较，男女组相比RMSSD值存在显著性差异（＜0.01），而SDNN、PNN50比较无显著性差异（＞0.05）。（表5、图1）

图1 男女生组力竭运动前后时域指标测试结果

表5 男女生组力竭运动前后时域指标测试结果

2.3 男女生组力竭运动前后频域指标测试结果

频域指标主要通过短程傅里叶转换，HF测量定量分析迷走神经活性其主要定量揭示自主神经调节之间的关系，LF主要反映交感神经活性，LF/HF的数据通过自主神经系统参与，明确解释交感神经与迷走神经的平衡关系。研究显示，HF、LF、LF/HF值运动前与运动后进行比较，均具有极显著性差异（＜0.01），HF、LF的运动后值比运动前呈明显下降趋势，LF/HF值明显增长。运动前男生组与女生组HF、LF、LF/HF值比较，无明显差异性变化（＞0.05）。运动后男生组与女生组比较HF、HF/LF值呈极显著性差异（＜0.01），女生组HF值低于男生组，LF/HF值女生组明显高于男生组，LF值差异不显著（＞0.05）。（表6、图2）

图2 男女生组力竭运动前后频域指标测试结果

表6 男女生组力竭运动前后频域指标测试结果

2.4 男女生组力竭运动前后频域指标测试结果

心率变异性的非线性指标主要揭示R-R间期的内部变化趋势。SD1与SD2通过Poincare散点图来反映横纵坐标值变化，主要揭示心率起伏与波动频率。表7显示，SD1、SD2值在运动前到运动后呈现从高到低的趋势，且运动后与运动前进行比较呈极显著性下降（＜0.01）。男生组与女生组的SD1、SD2值差异性并不显著（＞0.05），男女组SD1值在运动后均出现下降趋势且男生组高于女生组，男女组运动后相比SD2值存在显著性差异（＜0.01），男女组在运动后均出现下降趋势，但女生组SD2值下降幅度比男生大。

表7 男女生组力竭运动前后频域指标测试结果

2.5 分析与讨论

人体长期处于健康稳态下，主要源于身体中枢神经的自主神经系统。心率变异性指标主要揭示自主神经的相互关系，间接地反映交感神经和迷走神经在外界刺激影响下的相互协调及均衡性。HRV在运动的过程中，可以定性定量地反映心血管系统变化，合理评价交感神经与迷走神经的动态平衡。

本文主要通过Bruce方案使实验对象处于重度疲劳状态下，记录比较实验对象在运动前后的HRV数据，进一步利用时域、频域、非线性分析法分析HRV在运动前后的关系，尤其是在体育专业大学生这个群体中。本文对40名体育专业大学生进行运动前后的疲劳生理指标测试。男生组运动后的时域指标（SDNN、RMSSD、PNN50）、频域指标（HF、LF、LF/HF）、非线性指标（SD1、SD2）与运动前安静时相比都具有极显著性差异（＜0.01），女生组的结果与男生的结果基本相同，运动前与运动后相比存在极显著性差异（＜0.01）。

本实验结果与早期研究运动性疲劳与HRV的研究报道相似。有研究表明，心率变异性指标变化与运动疲劳存在一定的联系。运动疲劳会使心交感神经和迷走神经出现暂时性失衡，HRV值明显减小，表明交感神经活性加强，迷走神经受到明显抑制而减弱。不论运动负荷强度，运动疲劳都会造成HRV值下降，且在恢复时期HRV明显增加，这是由于在运动过程中交感神经活性抑制迷走神经活性，身体适应运动负荷做出的调节机制。史博强、和振东认为力竭训练后的运动员SDSD、RMSSD、SDNN呈显著性差异（＜0.05），迷走神经与交感神经的失衡更为明显，说明运动员的应激能力下降且恢复时长与状态都会受到影响。在中等强度运动中，HRV指标（RMSSD、SDNN、LF、HF）都出现明显下降，并发现在运动过程中，运动时间与负荷量对HRV下降并不存在太大波澜，其主要受运动强度与生理的影响。实验对象通过参与中等强度运动训练，产生机体疲劳并造成HRV值下降并在恢复过程中出现反弹，主要表现在SDNN、RMSSD、HF。研究证明，递增负荷运动会使心率增加的同时，HRV下降。自主神经系统对运动前后会做出不同的反应，因此，通过HRV指标可以检测迷走神经或交感神经活性，反映人体状况。

综上所述，HRV是敏感性指标，通过外界给予运动强度刺激会发生显著性差异。从生理因素考虑，这可能与激素和神经递质的分泌速率有关。通过检测HRV指标可以有效地评估个体对训练的适应能力并制定相匹配的训练方案。因此，笔者认为HRV是一项判断运动性疲劳的可靠指标，用来选择适宜的训练量与强度以及制订适宜的训练方案，防止过度疲劳导致出现病理现象。

HRV主要反映其心脏自主神经活性，具有灵敏性特点，施予运动刺激可有效地改善降低交感神经活性。近几年文献报道HRV与性别存在某种联系。钟运健、吴纪饶等提出HRV与年龄也密切相关，HRV参数随着年龄的增长减小，女性HRV指标多低于男性。Ramaekers在安静状态下通过监测276名健康受试者（135名女性，141名男性），对其进行24小时HRV测定，得出除PNN50与HF指标值外，男性的HRV指标值高于女性。姜媛、林崇德在男女运动员情绪调节与HRV的实验中，发现女运动员的HRV要低于男运动员，因此判断男女运动员在情绪状态下迷走神经活性存在显著性差异。于阿信在楼梯运动研究后发现并非自主神经功能调节机制，女性在运动后心率的恢复高于男性，由于男性窦性周期比女性长，因此女性迷走神经活性强。孙朋等学者采用Bruce跑台实验进行了2次测试，并记录受试者运动前后以及运动后60min的HRV，分析并提出在中等强度运动中，男性的恢复能力与女性相比较弱，该差异可能是性激素分泌差异性造成的。刘雪兴通过对竞技健美操运动员进行性别等分类，提出性别因素并不存在明显差异性，但是个别指标在不同训练年限、专业界别中有差异。丁玲玲选取384名网球运动员从性别、地区等探索赛前焦虑与HRV的关系，采用时域、频域、庞家来散点图进行分析，其结果为不同性别的运动员在HRV的指标并不存在统计学差异。综上，HRV与性别的个体差异性还存在一定的争议，尽管现在有很多研究性别因素与HRV的文献，但是在运动性疲劳与力竭运动的HRV性别差异影响鲜有报道。

本文针对男生组与女生组对比运动前后的HRV指标值进行分析研究，运动前男生组与女生组对比均没有统计学上的显著差异性，但RMSSD、HF、LF、SD1、SD2的 女 生 指 标 值均高于男性，其余指标值（SDNN、PNN50、LF/HF）呈现男生高于女性。由于本文的实验对象是体育专业大学生，其指标值与健康人群研究数据存在些许差异，但实验结果与黄晖明以优秀田径运动员为实验对象的结果大致相同，说明具备良好运动能力的女运动员HRV均值高于同等运动水平的男运动员。RMSSD、HF主要反映迷走神经张力，LF主要揭示交感神经与迷走神经的调节功能，由此可以得出女生在静息状态下，虽然与男生的HRV值没有太大的差异性，但是迷走神经张力高于男生。

运动结束后的男女生组进行比较，2组的HRV均值除LF/HF值外均明显 降 低，其RMSSD、HF、LF/HF、SD1、SD2值男女组在运动后进行对比具有显著差异性（P＜0.01），除LF/HF值女生高于男生外，其余指标男生组都高于女生组。此实验结果说明，Bruce跑台实验方案随着时间的增加、运动强度的改变会影响体育专业大学生HRV值变化，该结果与早前的以第九套广播体操为运动方式的结果一致。RMSSD、SD2可以用来衡量在运动负荷递增情况下运动员的身体机能与耐受能力，HF主要揭示迷走神经活性，LF/HF反映交感神经和迷走神经的均衡性。男生组与女生组在运动即刻结束后，在力竭运动后迷走神经张力存在差异。

当前HRV作为一项生理指标衡量性别差异机制还尚未清晰，现今大部分学者认为其是不同性别激素差异导致的。有研究证明，雌激素可以调节迷走神经活性，男性睾酮激素可以调节自主神经功能。在运动过程中，性别会引起生理反射的差异。Dutra的研究表明，心脏调节平衡在不同性别之间存在差异，这种差异的特征是女性的自主迷走神经成分和男性的交感神经成分的影响更大。

综上，性别会对HRV产生影响。在安静状态下男生组与女生组的HRV值整体一致，自主神经调节功能没有差别，交感神经与迷走神经张力处于平衡状态。在运动过后男生的交感神经比女生高，女生的迷走神经活性比男生高。

3 结 论

一次性力竭运动后，实验对象HRV值呈明显下降，即表示心交感神经兴奋，迷走神经抑制，处于动态平衡中的交感神经占明显优势。

运动性疲劳状态下性别因素影响存在差异性。运动前男女生组HRV值不存在差异性，自主神经调节功能一致，交感神经与迷走神经活性处于均衡；运动后，女生组迷走神经活性增强的指标高于男生组，女生组的迷走神经强，男生组的交感神经强。