VR场景对国家跳水队运动员备战东京奥运会睡眠质量的干预效果研究
2022-10-08刘书强刘冯铂张忠秋檀志宗赵德峰
刘书强，刘冯铂，张 蓉，张忠秋，邱 俊，檀志宗，赵德峰
睡眠对于运动员意义重大，充足的睡眠有助于运动员体能的恢复和脑力的补充，而且可以帮助运动员缓解训练和比赛带来的压力，增强日常生活和学习时的记忆力，从而保持运动员身体和心理的平衡健康。大量的调查研究表明，运动员正在遭受比普通人群更为严重的睡眠困扰，且随着运动员运动水平的提高，睡眠问题发生的可能性越大，但只有少部分运动员会积极寻求外部帮助，高强度大负荷训练阶段和重大比赛前是运动员睡眠问题的高发期。国家跳水运动员在备战东京奥运会期间，自2020年10月起，需要连续参加全国跳水冠军赛、跳水世界杯选拔赛、跳水世界杯预赛以及2021中国跳水明星邀请赛等多项重要的东京奥运会选拔赛事。运动员需要通过持续高强度的训练来保持竞技水平，力争在奥运选拔赛中脱颖而出，入选奥运大名单。夏季奥运会每4年一届，对运动员来说意义重大，许多运动员因为种种原因，终其职业生涯也未能登上奥运会的舞台，新冠肺炎疫情导致东京奥运会延期也让运动员更加珍惜这次难得的参赛机会。成功入选奥运会大名单的运动员，承载着祖国和人民的希望，备战压力巨大。面临着训练负荷和竞赛压力的双重影响，运动员极容易产生睡眠问题。
通过自陈量表——匹兹堡睡眠质量问卷(Pittsburgh Sleep Quality Index，简写为PSQI)等可以简单快捷地了解运动员的睡眠状况，许多研究也采用身体活动仪(如，Actigraph等)来监控和判断睡眠时间、睡眠发生延迟、睡眠中的清醒和睡眠的效率，二者结合可以客观准确地测量和评估运动员的睡眠状况。此外，心率变异性(Heart Rate Variability，简写为HRV)通过窦性心率在一段时间内的变化反应交感神经和副交感神经系统的兴奋和抑制情况，客观地反映运动员的心理状态和情绪状态，进而从侧面反映运动员的睡眠状况。存在睡眠问题的运动员往往可以通过心理干预(如，放松训练、表象训练、自我对话等方式)改善睡眠质量。虚拟现实技术(Virtual Reality，简写为VR)是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术等多种技术的集合，利用VR技术创设情境可以达到使人身临其境的真实感受。目前，VR技术已广泛应用与医疗、教育、军事航天、娱乐等众多领域，通过音效和画面的呈现可以营造舒适放松的环境，从而达到舒缓压力放松心情的作用。研究表明，VR场景干预可以有效地减轻使用者的疼痛感觉，改善压力和情绪状态，缓解睡眠问题。因此，将VR模拟场景技术应用于睡眠质量干预研究也是探索运动员睡眠问题干预的一项创新性研究方法。
综上所述，本研究对国家跳水队运动员备战东京奥运会期间的睡眠状态进行调查和监控，了解运动员睡眠状况，分析其睡眠问题产生的原因，并尝试使用VR场景干预方法对赛前运动员睡眠进行干预，结合PSQI、身体活动记录仪Actigraph和心率变异性指标，观察VR场景干预对运动员睡眠的干预效果，以期为运动员睡眠干预提供新的思路和方法。
1 研究对象与方法
1.1 研究对象
选取国家跳水队运动员14名，包括10名参加2020年东京奥运会的运动员和4名替补队员，均为国际健将。其中，男运动员7人，女运动员7人。在进行人数匹配后，随机将运动员分为实验组和控制组(等待控制组)，每组7名运动员。运动员平均年龄为22.3±6.1岁，平均训练年限为12.8±2.2年。
1.2 研究方法
1.2.1 问卷调查法
1.2.2 实验法
(1)实验设计。本研究采用2(VR场景干预VS控制组)×2(前测VS后测)的混合实验设计。实验前5天对运动员进行PSQI施测，并佩戴身体活动记录仪Actigraph记录晚间睡眠情况。对实验组运动员进行为期4周，每周3次，每次20 min的VR场景训练，训练在每日睡觉前拉伸后进行，控制组则只进行常规拉伸。在试验结束后对控制组运动员进行同样的干预。实验干预前后使用Polar心率表记录运动员5 min坐姿心率变异性。
(2)实验流程。联合科技公司针对性制作3D场景脚本，风格以安静舒适为主，搭建了5个(森林、海滩、山顶、篝火、雨天)3D模型和场景，并在场景中适当增加篝火堆、流星划过夜空、海豚跃出水面等简单效果，让使用者身临其境，心情愉悦。预制的背景音乐和引导语以舒缓的轻音乐为主，让使用者放松身心，再搭配适当的语音提示(如，请闭上眼、深呼吸等)不断引导使用者进入安静、理想的睡眠状态。通过观看VR一体设备中的3D场景，运动员有身临其境的沉浸式体验，特定背景音乐和引导语，可以帮助运动员情绪稳定，使其更好进入睡眠状态。
运动员在晚间训练结束且放松完毕后，前往实验室佩戴VR场景干预眼镜，打开VR眼镜电源开关，进入程序，选择睡眠干预模块，根据个人喜好选择1～2个场景进行睡眠干预，每个场景10～15 min，运动员根据指导语和音乐指引进行呼吸和冥想放松。场景训练结束后，进行3～5次深呼吸，关闭VR眼镜电源，取下眼镜，结束干预。
图1 VR场景干预设备示意图
图2 VR干预场景举例(山顶)图
(3)晚间睡眠期间身体活动测试。使用美国Actigraph品牌的GT3X身体活动仪结合睡眠日记记录运动员晚间睡眠期间身体活动情况。实验期间，运动员每晚上床前佩戴Aactigraph身体活动记录仪，早晨起床后取下。通过睡眠日记记录上床、起床时间等，使用 ActiLife软件提供的算法实现对睡眠数据的收集。
(4)心率变异性测试。VR场景干预前后，测试人员浸湿心率带并协助被试正确佩戴心率带和Polar心率表。佩戴好心率带后，要求被试静坐1 min，调好心率表，点击开始测试，测试期间要求受试者闭眼、安静，禁止移动和说话，采集时间为5 min。
(5)主要测试指标。PSQI总分：HRV时域指标有反映HRV总体变化的R-R间期标准差()，反映副交感神经活动的相邻R-R间期差值均方根()；频域指标有反映自主神经系统整体的活性和调节能力的总功率()，反映副交感神经调节能力的高频功率()，反映交感神经活性为主的低频功率()，反映交感与副交感均衡性的高频功率与低频功率比值()。Actigraph指标包括：反映运动员睡眠质量的睡眠潜伏期(Latency)、总睡眠时间(Total Sleep Time，简写为TST)、睡眠效率(Efficiency)和入睡后觉醒时间(Wake After Sleep Onset，简写为WASO)。
1.2.3 数据统计
使用SPSS 21.0统计软件对数据进行统计分析，通过2(前测VS后测)×2(实验组VS控制组)重复测量方差分析比较PSQI总分、HRV指标、以及Actigraph指标Latency、TST、Efficiency和WASO，对差异有统计学意义者进一步进行简单效应分析。
2 研究结果
2.1 国家跳水队运动员备战期间睡眠质量总体情况
Aactigraph身体活动记录仪记录了14名运动员连续5天晚上的身体活动数据，对每天的睡眠数据进行取平均数处理。结果显示，运动员平均Latency较长(4.51 h)，平均TST偏少(475.2 min，约为7.9 h)，且入睡后觉醒(WASO)时间偏长(75.9 min)，统计数据见表2。
表1 备战期间运动员PSQI各维度得分占比情况表(n=14)
表2 运动员各睡眠指标情况表 (n=14)
从匹兹堡睡眠质量问卷调查结果和Aactigraph身体活动记录仪检测的数据看，两组数据之间具有较高的吻合度，起到了相互印证的作用。运动员较长的睡眠潜伏期对应入睡时间问题，总睡眠时间偏少对应睡眠时间问题，入睡后觉醒时间偏多则对应运动员的睡眠质量问题。
2.2 VR干预对国家跳水队运动员睡眠质量的影响
表3 VR场景干预前后运动员睡眠状况各指标分数表 (n=14)
进一步进行简单效应分析结果显示，实验组后测的PSQI得分显著低于前测(<0.001)，控制组前测与后测无显著性差异(=0.535)，即与控制组相比，干预组运动员的PSQI下降明显；使用Actigraph身体活动记录仪测试的睡眠指标Latency、Efficiency、TST和WASO两次测量的主效应、干预90方法的主效应及测量与干预的交互作用均不显著。心率变异性指标、以及两次测量的主效应和测量与干预的交互作用不显著，干预方法主效应显著(分别为13.08、12.36、5.68，分别为<0.005、<0.05、<0.05)，其他指标两次测量主效应、干预方法的主效应及测量与干预的交互作用均不显著。
表4 两组各指标重复测量方差分析结果表
3 分析与讨论
3.1 国家跳水队运动员备战期间睡眠状况分析
从PSQI的调查结果和Aactigraph身体活动记录仪检测的数据来看，东京奥运会前国家跳水运动员的睡眠问题主要表现为以下几个方面：(1)运动员睡眠潜伏期较长，一方面是因为运动员上床后在做一些与睡眠无关的事情；另一方面是奥运会的比赛压力致使运动员不良情绪增加(如，紧张、焦虑、慌乱等)导致的翻来覆去，不能入睡。(2)睡眠总时长不足，运动员平均总睡眠时间仅为7 h左右，这与以往研究者提出的运动员需要10 h左右的睡眠时长相差较大，而睡眠不足容易导致运动员精力不足、困倦和疲劳，造成很高的损伤风险。(3)较长的入睡后觉醒时间则直接影响到了运动员的睡眠质量。
因此，在调查分析及实验干预的基础上，对所有运动员进行睡眠卫生教育，强调睡眠的重要性，帮助运动员养成良好的睡眠习惯十分重要；同时，作为解决睡眠问题的基本方法，把睡眠卫生教育和睡眠环境布置、膳食营养补充以及心理干预等其他睡眠干预方法结合起来，对改善运动员睡眠质量起到了良好的促进作用；另外，针对运动员睡眠时间较短问题，建议运动员通过午睡进行弥补，取得了不错的效果。
3.2 国家跳水队运动员睡眠质量的VR场景干预效果
VR场景干预设备使用头显设备(眼镜)，将使用者的视野限制在头显屏幕显示的范围内。作为一种干预方式，VR 提供了一个独特的环境(包括 3D 视觉沉浸式体验)，通过丰富的立体视觉和听觉元素(如，丰富的色彩和风景环境)增强了对唤醒和情感的期望状态的激发。在治疗背景下，VR 可以灵活设计和定制，以满足特定条件的需求。多感官沉浸式 VR 环境刺激视觉、听觉和本体感觉，从而使用户产生如同位于他们在设备中查看到的虚拟环境中的感觉，通过VR 的集成、多感官和身临其境的感受增强治疗效果。本研究中，根据睡眠干预的需要搭建了5个(森林、海滩、山顶、篝火、雨天)3D模型和场景，并配合生动的画面和舒缓的音乐及引导语，使运动员身临其境，帮助其放松身心，疏解压力，进而引导其进入理想的睡眠状态。
通过VR场景干预，国家跳水队运动员的睡眠质量问卷PSQI总分降低显著，表明通过VR场景干预运动员的睡眠质量有了显著提升。VR场景干预前后实验组和控制组在身体活动指标 Latency、Efficiency、TST和WASO方面没有显著的差异；但VR场景干预后，与控制组相比，实验组运动员的Latency有缩短的趋势，同时Efficiency有所提高，WASO时间缩短，表明VR场景干预对国家跳水运动员的睡眠有一定的改善作用。干预效果不显著的主要原因与运动员Actigraph设备佩戴规范以及睡眠日记的记录偏差以及被试数量有关。心率变异性(HRV)是指窦性心律在一定时间内周期性改变的现象，主要受自主神经系统调节，可以间接反应睡眠状况。VR场景干预对运动员心率变异性指标、以及有显著的干预效果，即VR场景干预可以显著提升运动员副交感神经系统及自主神经系统的活性和调节能力，从而改善运动员的情绪状态，提升运动员的睡眠质量。
本研究表明，VR场景干预对跳水运动员睡眠质量具有显著的提升作用，研究结果与以往研究一致，但由于研究对象的特殊性，被试数量有限，对研究结果有一定的影响。运动员在身体活动记录仪的佩戴及睡眠日记规范等问题，影响了部分数据的统计效果。在未来的研究中，可以考虑对被试进行筛选，如，使用自陈量表筛选出存在睡眠问题的被试，进行多种干预方法的效果的对比研究等。
最终，中国军团以38金32银18铜的优异成绩结束了东京奥运会之旅。其中，中国跳水队在本届奥运会上10人出战均有奖牌斩获，共取得7枚金牌、5枚银牌，追平了队伍在单届奥运会上的金牌数量纪录。在双人男子三米板夺冠后的采访中，运动员王宗源说，“在国家的全力保障下，我们每天的训练、康复及科研等各方面都很系统。我们运动员刻苦投入训练，队友之间也会相互鼓励、相互学习、相互促进，所以中国跳水才这么强”。可见，运动员在比赛场上的良好发挥和完备细致的科技助力不无关系。
