2015年12月14日 星期一

心臟的「變頻」能力:解釋耐力訓練中「心率變異度」(HRV)的意義

變頻的冷氣之所以比較省電也比較不容易壞的原因是它會隨著溫度自動調整馬達的運轉功率,而不會像傳統冷氣只能全力運轉與完全停機,所以效能不彰,所以需要適應環境來即時調整功率的變頻家電才會因應而生,而人的心臟也有類似的「變頻」功能。

心率的快慢主要是由心臟裡的竇房結節律細胞所控制,但它的放電頻率是固定的,我們規律的心跳就是因為有它。當我們面對外界壓力或提高運動強度時,身體需要更多的氧氣,血液要加速輸送,此時心率就不得不加快才行。因此我們勢必需要心率的調控能力,負責這項重任的就是「自律神經系統」。所謂「自律」就是會自主完成調控身體各項機能的律則。自律神經系統中的「交感神經」負責提高心率、副交感神經負責抑制心率,它們就像心臟頻率的兩個旋鈕。這兩顆旋鈕並非一開一關,而是相互拮抗作用。例如交感神經扭,會在需要面臨緊急狀況時(例如戰鬥或逃跑)旋緊,此時心率會加快、肌肉緊繃、血壓上升、消化作用減慢,如此你才可以把多餘的能量騰出來進行應變。

就算在安靜狀態下,心率的跳動週期也會因為兩顆旋鈕的鬆緊程度不同而有相當程度的變化,醫學界將這種心率週期變異的程度稱為「心率變異度」(Heart Rate Variability,簡稱HRV)。

假設沒有這兩顆旋鈕,心率只是由竇房結來控制的話,人的平圴心率在100bpm,但因為副交感神經作用,使人在安靜狀態下可以把心率調降到70、60、甚至50bpm以下,長年訓練的長跑選手心率會比較低,即是因為他們的副交感神經比較強勢。由此我們也知道交感神經開始掌控主導權,是在心率高於100bpm以後。

HRV愈高,代表你身心方面的調節能力較好,國外的心理學家則把它作為人類「意志力」的量化指標,HRV的值愈大,意志力愈堅強。其中一項有趣的實驗是:心理學家找了一群小朋友,先測量HRV,讓它們禁食一段時間,當他們都飢腸轆轆的時候,把他們帶進一間充滿蛋糕和糖果的房間,科學家們警告他們「這段時間不能動裡頭的食物,這些食物是要給其他客人吃的。等下就會給你們吃午餐了喔!」隨著時間過去,小朋友大都餓得受不了,陸續開始吃起來,實驗結果發現HRV愈高的小朋友,(意志力愈堅強)愈能忍耐不去吃那些食物,HRV最高的幾位小朋友甚至能忍住飢火中燒,看著其他人在面前大塊朵頤。在《輕鬆駕馭意志力》中還有其他許多有趣的意志力實驗。意志力愈強也代表愈有耐心,抗壓能力也愈好。

這種變異度類似冷氣機的「變頻」功能,可以快速讓室內的溫度回復到你設定的溫度。變頻效果愈好,調節能力也愈強。比如說冷氣房裡忽然進來了一百位剛打完球的學生,好的變頻冷氣可以在偵測到變化後立即加速運轉,避免在大家都感覺很熱之後才來補救。一個具有較高心率變異度的跑者也可以在強度改變時快速作出反應。例如間歇訓練時,身體忽然從靜止狀態加快到I配速,此時心率要能即時反應來幫助運輸氧氣、二氧化碳與乳酸等副產物。不只是身體,HRV高的人在越野跑時比較能快速辨別方向與踩點。這種身心的敏銳度,都可以從HRV這個數值看出來。

對跑者來說,看誰的HRV愈高代表身體的有氧能力愈好;若只與自己相比的話,太低則是指身體尚未恢復,愈高代表體能狀況愈好,身心都處於隨時應付各種挑戰的最佳狀態。

以我自身為例,圖中的表格是我在訓練前與收操後一小時所量測的HRV紀錄表,從這張表可以很明顯看出,訓練後的HRV大都比訓練前低:



我們把HRV的變化製成此表,可以看出第1、2、4、8、10、12號訓練前後的HRV都變化很大,實際也可看出那幾次訓練的壓力後壓力很大。

◉1號課表是第六級R強度訓練,所以練完後HRV一次下降了32,同樣的課表到了第二次(5號課表),下降的比例就減少了,明顯是適應的表現。
◉4號課表是一兩個月以來未部的第三級T配速(乳酸閾值強度)訓練,跑完六趟間歇後,HRV也下降了30以上。
◉8號課表執行前,原本前陣子都是練第一級E強度的長跑,所以這一次跑完第二級M強度1小時後,再加上短衝了六趟,HRV也掉了30以上。
◉10、12號課表分別是兩次長跑,HRV的變化也很明顯。

◉我們從9號課表可以看到一個有趣的現像,第一級E強度跑完,HRV反而上升了5,可見當天恢復跑的目的有效達成。

從這些數據也讓我了解到,以後我的HRV要回復到90以上,再進行質量訓練會比較妥當,它讓運動員可以很客觀地避免掉過度訓練的情形。


我該如何用手邊的裝置測得HRV?
若我沒有專業的運動錶,該如何量測自己的HRV呢?以及它是如何計算出來的?整理之後分享如下。

目前有多款手機APP可以直接利用智慧型手機來量測自己的HRV,有些要搭配藍牙心跳帶(會比較準),有些則直接用攝影鏡頭的感光元件來搜集數據。以APPLE Store上來說就有十二款APP:

◉HRV + (免費)
◉Elite HRV (免費)
◉HRV Tracker (免費)
◉BioForce HRV (免費)
◉EC-HRV test (免費)
◉SweatBeat HRV (免費)
◉SelfLoops HRV (免費)
◉Igtimi HRV (免費)
◉BioForce
◉Magenceutical Health - HaloBeat HRV (NT$ 750)
◉HRV with Alice (NT$ 60)
◉HeartsRing HRV-Breath-Biofeedback (NT$ 590)
◉Primal Blueprint - PrimalBeat HRV (NT$ 300)。

其中有大約八款的APP是免費的,但另外四款需付費,付費的紀錄、統計與分析功能比較完整,最貴的那款(第9款)甚至還有特殊設計的療程(運動處方)來幫你提升HRV。

目前Garmin 920和Fenis 3可以下載HRV的APP套件,直接在手錶上進行量測,但和APP比較起來的缺點是無法紀錄和分析。


HRV是如何被計算出來的 
要取得HRV這項數據,有很多種方法,主要分兩種:「時域分析」和「頻域分析」。穿戴裝置都是用時域分析,它是用「間距的標準差」來計算,也就是各個「間隔」距離平均值的偏差程度。

一般來說,「間隔」的取法是心電圖中最高峰R波之間的距離(R-R Intervals),見附圖。


如果用光學式,只有一個偵測點時,只能用手腕上的血流脈動來推測心臟律動時的R-R波間距。這種量測方式只是推估,並非實際掌握每兩個R波的間距。雖然不精確,當然還是可以得到一組間距數據來計算標準差(Standart Diviation) = 心率變異度。

心跳帶得到的R波間距當然不比醫院裡顯示的心電圖,在醫院裡,最少要用三個電極才能把其他P波、T波、U波都標示出來,畫出心電圖。使用心跳帶的限制是,當心臟跳一下時,你會不確定取在「剛開始跳」還「是快跳完」,無法像心電圖的數據明確地抓到每一次跳動的R波所在位置。當然,我們無法每天都去醫院在胸口貼上電極測HRV,雖然略微不準,但心跳帶已是最便利的選項。

當R波精準量測出來後,就能得到R-R波之間的間距。例如某次測量時每個間距的變化的間距大小從0.6秒到1秒,平均是0.8秒。接著把這些間距的標準差計算出來即是心率變異度。

標準差的意義是:各項數據的離散程度,標準差愈大表示各數據互相差異愈大。在計算HRV時是使用「母體標準差」(σ,唸sigma),它的計算方式是:

◉先從母體(固定時間中的R-R間隔)中抽取N個數據,假設其值分別為X1、X2、X3、X4……
◉求母體平均數(μ),也就是(X1+X2+X3+X4……)÷N
◉σ = (Xi-μ)的平方÷N,之後再開平方根號

(註:臺北市立和平高中黃俊瑋教師在「科學Onling」網站上利用變異數的幾何意義來解釋標準差,非常精彩:http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=55320)

就目前網路上可以查閱的資料,手機APP與穿戴式裝置都是用「母體標準差」的方式計算出來HRV的。