皮电生物反馈技术监控运动性疲劳实验研究

摘要：目的：探讨生物反馈指标中皮肤导电水平在运动性疲劳时的变化特征，为运动性疲劳的监控提供新的方法和实验支持。方法：体育教育专业大学生运动员16名，分为男子组（M组）和女子组（F 组）各8名，曲线分析时又依安静时皮肤导电水平（Skin conductance level， SCL）均值是否高于8μs分成高基线水平类（H类）和低基线水平类（L类）。实验采用Bruce方案，以跑台运动的方式，使运动员逐渐达到疲劳。同时联合应用反应时、RPE和即刻最大心率以确定运动性疲劳的产生。并通过自身前后对照与男、女比较，测定安静、疲劳、恢复时SCL变化特征。结果：曲线方面，疲劳时L类女子出现较为显著的双波峰现象，L类男子未有双波峰现象，但呈振幅剧增；H类女子曲线大致分成震荡上升期，急速上升期，急速下降期，不应期等四个阶段，而H类男子则为上升、下降期出现急剧地直线型变化。数值方面，疲劳时男子SCL值低于安静时（P

关键词：生物反馈技术；皮肤导电水平；运动性疲劳；监控

中图分类号：G804.2文献标识码：A文章编号：1006-2076（2014）01-0080-05

运动性疲劳诊断手段的丰富与完善，一直是运动生理学研究的热点。然而，随着现代运动竞技水平的不断提高，当前疲劳诊断的监控手段陈旧、局限，难以适应飞速发展的竞技形式，甚至严重桎梏了对运动性疲劳的监控与研究。皮电生物反馈技术与现行诊断手段相比，高效便捷、科学精密、时效性、无创伤的特色鲜明；与其他生化指标、生物技术相比，资源耗费低、易于推广等特征显著。若将皮电技术应用于疲劳诊断，或可为缓解疲劳诊断领域内的突出困扰提供新的、有效的思路和方法。本研究应用实验研究法，探讨是否可将皮电技术指标SCL应用于疲劳监控，并揭示应用时可能存在的价值作用。

1材料与方法

1.1实验模型的建立

实验随机选取2012级体育学院大学生运动员16名，分为男子组（M组）和女子组（F组）进行自身前后对照，其基本情况见表1。实验对象需进行一般医学检查，排除运动风险。运动方案则参照经典的Bruce方案制定，即以2.7 km/h的速度，10%的最大坡度开始，每3 min递增一级，整个方案共7级，最终速度将达到9.6 km/h，坡度则达到22%最大坡度。实验过程中以实验对象不能维持运动强度，且反应时、RPE和即刻最大心率达到疲劳数值确定运动性疲劳的产生。

山东体育学院学报第30卷第1期2014年2月 迟淑勋，等皮电生物反馈技术监控运动性疲劳实验研究No.1 20141.2实验仪器

联合应用德国产h/p/cosmos pulsar 4.0运动跑台进行运动强度控制；澳大利亚产SCHUHFRTED生物反馈仪收集皮电数据；芬兰产SUUNTO远程心率遥测团队系统采集即刻最大心率用于疲劳鉴定。

1.3统计学处理

实验数据采用SPSS20.0进行处理，使用独立样本t检验，单样本t检验，相关样本t检验，单因素方差分析等方法分析所得数据，所有数据均用平均数±标准差（Means±SD）表示，且以P

1.4运动性疲劳的确定

综合选取了反应时、RPE和即刻最大心率等指标，作为疲劳判定的依据。结果显示，当F、M组运动员的即刻最大心率达到公式推导最大心率（HRmax，以年龄20为准）的105%～110%，且与160 hb/s（80% HRmax）相比差异非常显著时（P0.05），不过此时两组RPE却都高于18（很累），且差异显著（P

2结果

2.1SCL曲线的状态变化特征

运动过程中安静、疲劳、恢复的SCL曲线规律性变化，见图1～图4。依据El-Sheikh[3]曾证实的SCL基线分布差异，将安静SCL均值高于8 μs，为高基线水平类（H类）；低于8 μs为低基线水平类（L类）。

从图1～图4可看出，L类女子安静时曲线有明显的波峰波谷，提示安静时曲线具有周期性，周期大约为1分12秒；疲劳时，曲线出现较为显著的双波峰现象，显示周期或缩短为安静时的一半；积极性休息并安静坐卧后，曲线逐步恢复为单波峰，揭示周期再次延长。L类男子安静、恢复曲线类似于女子，但疲劳产生时曲线出现了数值变化幅度剧增现象。女子疲劳时SCL值变化幅度仅为5 μs，男子却可达10 μs。系统分析H类曲线特征则又发现，一方面，图3呈现H类女子安静时值基本恒定，疲劳时曲线先于剧烈震荡中上升，而后急速上升，值一度高达50 μs，在急速下降后，值长时间维持在0 μs小幅变换，最后呈小幅震颤上升，提示其疲劳曲线或可大致分成震荡上升期、急速上升期、急速下降期、不应期等四个阶段。恢复时曲线走行似疲劳，但变化幅度明显降低。另一方面，图4则反映，H类男子虽安静曲线走势类似于女子，但值的大小和变化幅度更高。疲劳时虽同样拥有四期，但男子上升、下降期却出现了剧烈的直线型变化，提示该类运动员产生疲劳时，SCL值在上升、下降期可能出现短时巨变。恢复曲线则是开始长期处于0μs，而后出现幅度逐步下降的震荡上升。

图1L类女子运动员SCL图图2L类男子运动员SCL图图3H类女子运动员SCL图图4H类男子运动员SCL图2.2SCL值的状态变化规律

运动结束后，进行了M、F 组安静、疲劳、恢复的SCL数值比较，结果见表3。从表3可以看出，一方面，疲劳时M组SCL均值低于安静状态，高于恢复状态，且差异具有非常显著性（P

3讨论

3.1运动性疲劳发生过程中皮肤导电水平的特征性变化分析

SCL在运动员产生疲劳时，曲线、数值拥有怎样的特征，存有哪些规律以及这些规律产生的根源，似乎值得探讨。心理学、临床医学中业已存在SCL特征、价值、机制的阐释。如Roth[4]等研究恐慌症时表明，与正常人相比，患者的SCL呈下降趋势。Storm[7]研究早产儿时揭示，SCL从29周胎龄开始出现上升。Erath[8]研究父母教育方式与儿童外在行为关系时阐明，L类儿童的关联度强于H类儿童。临床医学、心理学中既有特征的阐明，又有相关关系的研讨，最近则似乎更多注重技术优势、信号处理的探究。Günther 等[9]研究证实，皮肤电导每秒波动次数在重症监护病房患者情绪评估中的作用，可能比一般主诉更为有效。蔡菁[12]研究皮电信号处理方式时发现，将改进的禁忌搜索算法引入情感识别是有效的。分析已有研究或可发现，多以数值探讨为主，曲线论证似较少涉及，且SCL变化趋势多为统一的上升或下降。临床医学与心理学领域内，SCL的论证似已臻成熟，但目前运动医学领域的研究却非常有限，应用于运动性疲劳监控的，则更为匮乏。Lu等[12]利用生物反馈技术研究疲劳，发现血量脉搏、皮电、呼吸、皮温和肌电图曲线，均表现出鲜明特征。但文章似乎并未阐明所指疲劳是否为运动性疲劳，也未将SCL单独分析。基于以上研究，本研究拟尝试联合应用多种国外先进精密仪器，以经典的Bruce方案控制强度，以应用成熟的反应时、即刻最大心率、Borg RPE表为疲劳判定依据，随机选取的实验对象主、客观指标出现疲劳变化时，拟探讨SCL在运动性疲劳时可能存在的变化特征。

本研究表明，一方面，SCL监控运动性疲劳表现为独有的曲线、数值变化特征。疲劳曲线的变化显著不同于安静与恢复，可依性别、基线类别不同，而分别出现双波峰、振幅剧增、四期变化、直线型巨变等不同表现形式。数值则是由安静到疲劳再到恢复时，男子依次下降，女子先上升再下降，变化趋势不统一。这在SCL数值变化的既往研究中，尚未提及。疲劳时曲线、数值均具有显著不同的新变化，即SCL监控运动性疲劳时，拥有独特的曲线、数值变化特征，这或是SCL应用的新突破。另一方面，对运动至疲劳时SCL新特征变化的原因探讨，似可丰富运动性疲劳产生机制的解释途径。临床医学中SCL特征性变化的原因论证，20世纪80年代就已开始。Banga[13]研究发现，皮肤角质层或是离子电渗运输的主要障碍。而Kasting[14]则认为，毛囊、汗腺导管等皮肤附属物作为低电阻分流途径的重要性，仍有争议。目前探讨似多以分析影响因素的某一方面为主，较少进行系统论证。但发生运动性疲劳时，若仅析某一方面，似难以解释SCL较为复杂的变化。运动性疲劳产生时，SCL的变化或可能存多种机制。①疲劳时过大的负荷可能导致过度的汗液渗出，引起皮肤周围离子转运发生大幅度改变，甚至是紊乱，这可能是疲劳时值的下降、上升，曲线双波峰、四期变化、增幅剧增、直线型巨变的原因；②同样疲劳时也可能产生大量的自由基，这些自由基可能使交感神经传导通路受到较大程度破坏，皮肤周围膜受体、离子泵、离子信道、离子转运蛋白等也可能同时受到较为严重损害，或引起交感神经过度兴奋，汗腺活动极度异常，离子代谢紊乱，从而导致值的不同变化和曲线的不同表现特征。③当然运动至疲劳时，似乎也可产生儿茶酚胺、5-羟色胺等抑制性神经递质，其可能不仅作用于中枢及α、γ等运动神经元及其调控的肌组织，或同样还可作用于交感神经及汗腺，引起皮肤电阻增加甚至紊乱，可能导致曲线出现直线型巨变、增幅剧增；④而疲劳时伴随皮肤周围，尿素、肌酐肌酸和盐类物质的大量分泌，可能此时产生了某些目前尚未被证实的代谢产物，而且男、女形成的产物性质迥异。此类代谢产物的堆积，或可使男子皮肤周围电阻上升，女子下降，导致疲劳时男子SCL值下降，女子上升。⑤长时间剧烈的运动，同样或可使交感神经系统、皮肤活动有关激素、免疫抑素等发生剧烈变化。此时可能促使神经-内分泌-免疫网络产生了另外的某种物质，此类物质可作用于皮肤，引起皮肤周边的电子活动紊乱；⑥另外运动至疲劳时血液pH值下降，血浆渗透压、电解质浓度可能发生改变。此时已然发生巨变的血液大量运输至皮肤，极有可能引起皮肤周围环境稳定性严重失调，导致疲劳时的特征性变化。⑦疲劳可能是一些物质分泌增多引起，也可能是一些物质的含量下降引起的。运动至疲劳时，ATP、CP含量急剧下降，血糖浓度持续降低，而此时消耗的能量无法及时有效地获得补充，可能引起皮肤周围离子转运所需能量严重不足，或导致了离子转运停滞，引起0 μs现象，即不应期的出现；⑧疲劳时SCL的变化也有可能是多种因素系统紊乱引起的，比如交感神经、汗腺活动、离子代谢，皮肤周围肌肉组织等。

3.2皮肤导电水平监控运动性疲劳的实践应用价值

疲劳时呈现特征性变化、个性机制的SCL，对于运动实践有何价值作用，似乎同样值得深入探讨。研究发现，SCL价值作用突出，简单实用，易于推广，且疲劳时独有特征性变化或可应用于运动实践。SCL值既对状态变化敏感，又对性别差异敏锐，表明其科学性较强。SCL曲线在不同基线水平男、女疲劳时，呈迥异变化，其中一些变化甚是剧烈，提示SCL曲线或可精密有效地实时监控运动性疲劳，时效性特点凸显。若此技术优势能有效应用，或可缓解现行某些疲劳监控手段的突出困扰。科学性、时效性突出的SCL，其技术基础皮电生物反馈技术在应用中还可显现其他价值。皮电技术不同于血乳酸、CK等生化指标需耳垂取血[1-7，10，19-20]，其应用不会对运动员造成创伤或交叉感染。同时异于心电图、表面肌电图、脑电图和其他生反技术，需电极片收集信号[5-10，12-16，19-20]。皮电无需电极片，仅需对手指简单消毒，中指缠绕精密芯片即可，操作简单，易于掌握。且无需电极片，或意味着可节省大量资源耗费，这突出了经济性强的特点。故实验首次证实，SCL监控运动性疲劳时，或可凸显科学性、时效性、经济性、易于掌握与推广的实践价值。

拥有突出价值的SCL，其应用于运动训练实践，或意味着无论运动过程中（曲线比较）还是结束后（数值比较），SCL均可提供精密、准确、有效、可靠的状态信息。这或可帮助教练员、运动员及时掌控状态变化，随时调整运动强度，及时有效避免运动负荷不足或过度疲劳，切实提高运动训练效果，大幅降低疲劳性损伤的发生频率。SCL值或可作为不同性别训练队训练或比赛结束后疲劳鉴定、负荷制定及调整的精确依据。曲线则或可成为教练实时调控有重大比赛任务运动员负荷强度，制定个性化竞技运动处方的有效手段。一方面，训练结束后，教练员可根据运动员SCL数值的变化规律，及时掌控整个训练队男、女运动员的训练效果，及时调整训练队训练内容与强度。如女子运动员训练结束后整体上SCL均值为不增长甚至是下降，那么或许意味着现有负荷可能过低，大部分女子运动员未达到一定的疲劳；若是非常明显的增长，那么可能现有负荷超过了大部分女子运动员的承受范围，负荷强度或需进行适度地调整。另一方面，SCL曲线则可用于教练或运动员训练过程的实时监控，尤其是可以帮助教练员实时监控有重要比赛任务的运动员。当此类运动员SCL曲线未出现双波峰、波幅剧增、四期变化或直线型巨变时，或可实时增加负荷；出现相关表现并持续加剧时，或可实时减轻强度。SCL的实时监控可能意义更为重大，教练员从此或可不必等到训练结束后再调整负荷，在训练过程中就可实时调控，这似乎可有效推进运动训练的科学化进程。

4小结

SCL监控运动性疲劳时，显示了其有独特的曲线变化规律和数值变化特征，其曲线变化在疲劳时，显著不同于安静、恢复状态，并显现出性别特征。L类女子出现双波峰，男子振幅剧增；H类女子出现四期变换，男子上升、下降期出现直线型巨变。其值在产生疲劳的过程中，同样特征明显。男子值下降，女子值上升，变化趋势为倒U型和斜线型。其变化机制则可能与离子代谢紊乱，自由基大量产生，能量耗竭以及某些代谢产物的产生与堆积有关。SCL特征和规律或可用于训练队疲劳的整体评判，运动员负荷的实时调控，可为运动训练的科学化进程提供新航标。

5今后的研究

尽管SCL监控运动性疲劳有一定优势，但SCL也存在仅可反映某一方面疲劳的不足。虽早在1966年就已证实皮电或与中枢存某种联系[18]，但皮电与中枢之间具体存在怎样的联系，以及这种联系在运动至疲劳时会有怎样的表现，近年来却鲜有报道。另外，SCL虽可一定程度上反应疲劳，但其能否精密反应肌肉、心肌等组织的疲劳程度，还有待进一步论证。

今后似乎有必要进行更深度地探索。将生物反馈各项技术指标进行联合应用，一方面或可探讨疲劳时SCL与EEG的α、β等脑波之间可能存在的相关系数，另一方面似乎也可阐明心肌疲劳、中枢疲劳、肌肉疲劳与交感神经汗腺之间可能的某些联系。

参考文献：

[1]李清正，徐新保，李增民.不同训练周期中运动员疲劳诊断的研究[J].体育科学，2013，38（7）： 29-33.

[2]谭如坤.运动性疲劳产生机理、监测及恢复方法研究[J].湖北师范学院学报（自然科学版），2013，33（2）：60-63.

[3] Mona El-Sheikh. Children's skin conductance level and reactivity： Are these measures stable over time and across tasks？ [J]. Developmental Psychobiology， 2007， 49（2）： 180-186.

[4] W T Roth， A Ehlers， C B Taylor， et al. Skin conductance habituation in panic disorder patients [J]. Biological Psychiatry， 1990， 27（11）： 1231-1243.

[5]Berry R N.Skin conductance levels and verbal recall[J].Journal of Experimental Psychology，1962， 63（3）： 275-277.

[6]Rapson Gomez，Suzanne McLaren.The effects of reward and punishment on response disinhibition，moods，heart rate and skin conductance level during instrumental learning[J]. Personality and Individual Differences， 1997， 23（2）： 305-316.

[7]Hanne Storm. Development of emotional sweating in preterms measured by skin conductance changes[J]. Early Human Development， 2001， 62（2）： 149–158.

[8]Stephen A Erath， Mona El-Sheikh， E Mark Cummings. Harsh Parenting and Child Externalizing Behavior： Skin Conductance Level Reactivity as a moderator[J].Child Development， 2009， 80（2）： 578–592.