基于腦電分析的女大學生耐力素質鍛煉效果分析及策略優化

韓 麗

(寧波大紅鷹學院 公共體育部，浙江 寧波 315175)

1 問題的提出

1.1 選題目的

國民體質健康狀況反映了一個國家或民族的身體素質和健康水平,對一個國家的經濟發展和社會進步起著決定性的作用。近幾年來，國民的體質健康情況不容樂觀,尤其在校學生的體質健康狀況堪憂[1]。

國家體育總局在2015年公布了第四次全國國民體質監察結果，在校學生大部分屬于成人組(20-59歲)。結果顯示，根據性別的劃分，在校女大學生在身體形態、身體機能、身體素質方面存在比同齡男性更為突出的問題。因此，培養良好的鍛煉習慣，找到一種良好的鍛煉方法，提高在校女大學生的體質健康狀況，成為了急需解決的問題。

腦電作為一種生物電技術，可以直觀的反應出一個人的健康狀況[2]。腦電信號(EEG)是通過大腦皮層記錄到的神經細胞的電活動信號，腦電波節律的種類很多，而且變化多樣[3]。各種不同的運動負荷下，腦電波必然隨之變化。這種特征使腦電的研究者相信在EEG信號里必然蘊含著大量的對我們有用的信息[4]。因此，深入開展EEG在學校體育領域指導鍛煉方面的研究有重大意義。

1.2 國內外研究現狀述評

根據萬方檢索，關鍵字“腦電”在體育類學科中的論文共137篇。

檢索結果顯示：在體育領域里，腦電的研究主要為兩個方向。一個是競技體育里，針對專業運動員這一特殊人群進行的一系列研究，用來指導其今后的訓練。如王麗巖等的《乒乓球運動員發球動作識別時的神經效率——來自EEG的證據》、王琳的《優秀蹦床運動員腦電超慢漲落參數特征的研究》、王霆《腦電非線性動力學分析在優秀射箭運動員中樞疲勞研究中的應用》；另外一類是針對普通人群的某個特定項目的研究，僅論證了某一項目的有效性。如孫紅敏等的《普拉提運動想象的腦電功率譜分析》、魏凱明等的《瑜伽冥想練習對男性腦電α波影響的研究》。

目前存在的問題：對腦電的研究只停留在針對某個項目(太極拳、瑜伽等)和某個特殊人群(專業運動員)。對于社會體育范疇和學校體育范疇，腦電的研究和應用非常少。

2 研究的總體設計

2.1 研究思路

圖1 研究思路

2.2 研究方法

2.2.1 文獻資料法。根據研究任務的需要，一方面，廣泛地學習與借鑒運動訓練學、運動生理學等方面的有關理論與方法。另一方面，利用萬方檢索，對2002年1月至2017年8月有關以下幾個方面的內容進行了檢索，其中關鍵字“腦電”在體育學科中的論文137篇。通過分析近年來國內外有關腦電和訓練學研究的最新文獻，吸收國內外在腦電方面的研究成果，為研究做好必要的理論準備。

2.2.2 實驗研究法。

2.2.2.1 選取樣本。根據大學生體質健康測試結果，實驗組選取30名800m成績不及格者(>4min34s)在校女大學生進行數據采集，對照組選擇30名800m成績為優秀的(<3min30s)在校女大學生進行數據采集。年齡均為18～20歲。

2.2.2.2 研究設備。本研究采用系統ThinkGear AM芯片由美國Neurosky公司研發的世界第一款的腦電圖傳感器，采用了干電極傳感器[5]。單導腦電采集系統采集6次60人的腦電信號，此設備采用無線技術，操控簡單，便于攜帶。通過專用軟件對原始腦電波進行分析，計算出受試者的專注度 (attention) 和放松度(meditation)[6]等指標。放松度可以理解為α波活躍時的體現，而專注度是α波被抑制的體現。

圖2 腦電中的專注度和放松度

2.2.2.3 數據采集。首先，采集實驗組和對照組學生安靜時的腦電信號。然后，進行3min臺階測試。測試結束，測試者全部測試進入休息狀態。分別采集測試結束即刻1min和3min的腦電信號。

2.2.2.4 分析結果 建立模型。本研究將在統一實驗條件下提取以上兩類人的EEG信號，系統地分析各參數與體質健康狀況的相關性。分析60人6次采集的實驗數據，建立對照組(耐力素質優秀)的腦電模型。

2.2.2.5 利用腦電模型論證鍛煉方法的有效性。針對實驗組30人隨機分成2組，(每組15人)進行為期3個月的耐力素質練習。兩組分別采用不同的方法訓練。實驗組1采用較為傳統的訓練方法，實驗組2比對腦電模型實時調整練習計劃，期間進行腦電的實時監控。最后來論證哪一組的鍛煉方法更為有效。

3 研究結果與分析

3.1 安靜時、臺階測試結束即刻1min、3min對照組與實驗組的專注度、放松度比較分析

首先，兩組測試者坐在椅子上，閉目充分休息，不眨眼，不轉眼，不入睡。采集安靜狀態下腦電1min，記錄下安靜時的專注度值和放松度值。然后進行3min臺階測試。臺階測試結束，采集測試結束即刻腦電1min和3min。由表1可知，安靜狀態下,對照組與實驗組的專注度值的結果無明顯差異。臺階測試結束后即刻1min的專注度值結果比較，兩組存在較明顯差異。臺階測試結束即刻3min的專注度值差異不大。安靜狀態下,對照組與實驗組的放松度值差異不明顯。臺階測試結束即刻1min的放松度值存在一定差異，臺階測試結束即刻3分鐘的放松度值存在極大差異。

表1 安靜及測試后1min、3min專注度、放松度比較

由圖3可見，對照組和實驗組的專注度值隨著負荷的增加均有升高，臺階測試結束即刻1min時，對照組的專注度值有大幅上升，實驗組的專注度值略有上升。臺階測試結束即刻3min時，對照組的專注度值迅速下降，而實驗組的專注度值繼續上升超過對照組專注度值，兩組專注度值出現交叉。說明短時間中等強度運動后，大腦皮層興奮性加強。表現為β波的波幅增高，抑制減弱[1]。安靜狀態下，對照組的放松度值明顯優于實驗組。臺階測試結束即刻1min時，兩組放松度數值均有上升；臺階測試結束即刻3min時，實驗組的放松度數值明顯下降，而對照組放松度值繼續上升。

圖3 安靜及測試結束即刻1min、3min專注度、放松度數值

影響腦代謝的因素很多。中等強度負荷后，腦的代謝加速主要與腦的溫度有關，α波隨著負荷的增加而增加[7]。所以在臺階測試結束即刻1min，兩組的放松度值均為顯著上升。而在臺階測試結束后即刻3min時體現的差異，主要說明對照組的代謝水平要優于實驗組，表現出放松度值隨著時間的推移不斷上升，這同時也是神經中樞對抗疲勞的一種表現[8]。因此放松度值可以直觀的從另一個角度說明不同運動水平人群的對抗疲勞能力[9]。

因此，體能主導項目的訓練中，放松度和專注度能夠較為準確地反映出人群的疲勞程度和抗疲勞能力，可以作為訓練和教學的理論依據[10]。

3.2 利用數據分析工具IBM? SPSS? Modeler建立對照組專注度、放松度模型

IBM?SPSS?Modeler 是一個預測性分析平臺，能夠為個人、團隊、系統和企業做決策提供預測性智能。它可提供各種高級算法和技術(包括文本分析、實體分析、決策管理與優化)，幫助選擇可實現更佳成果的操作。

利用SPSS MODELER中的線性回歸模型對對照組(成績優秀者)專注度安靜時的數據和測試結束即刻1min、3min的數據進行了模型擬合，分別得到如下模型1和模型2。

專注度模型：

臺階測試結束即刻1min=24.24+安靜時專注度*0.6829

(1)

臺階測試結束即刻3min=14.92+安靜時專注度*0.7415

(2)

從以上兩個模型也能看出，測試結束后的專注度和安靜狀態下專注度成正相關，且相關性較強。在原來數據上對模型進行測試分析，分析結果如圖4、圖5所示，證明專注度模型準確有效。

圖4 模型1的結果分析

圖5 模型2的結果分析

同樣利用SPSS MODELER中的線性回歸模型對對照組(成績優秀者)放松度安靜時的數據和測試結束即刻1min、3min的數據進行了模型擬合，分別得到如下模型3和模型4。

放松度模型：

臺階測試結束即刻1min=19.16+安靜時放松度*0.7657

(3)

臺階測試結束即刻3min=25.88+安靜時放松度*0.7304

(4)

從以上兩個模型也能看出，測試結束后的放松度和安靜狀態下放松度成正相關，相關性較強，并且休息時間越長，放松度值越高。同樣直接在原來數據上對模型進行測試分析，得到的分析結果如圖6和圖7所示，證明放松度模型準確有效。

圖6 模型3的結果分析

圖7 模型4的結果分析

3.3 實驗組1、2鍛煉效果的比較分析

對實驗組的30名同學隨機分成2組，實驗組1與實驗組2。分別進行為期3個月的耐力練習。實驗組1采用較為傳統的練習方法(表2)，每個月更改一次訓練計劃，每周兩次練習。實驗組2根據SPSS MODELER建立的對照組腦電模型，隨時調整走跑交替訓練計劃(表3)，每周兩次練習。

表2 實驗組1的運動方案

表3 實驗組2的運動方案

經過3個月的耐力練習，對實驗組1、2進行800m測試。成績如表4所示。經分析，認為實驗組1與實驗組2的800m成績分布具有明顯差異。差異是根據SPSS MODELER建立的腦電模型隨時調整的走跑交替訓練計劃引起的。結果表明，腦電信號的反饋具有導向性，走跑交替的運動方案對提高耐力素質有顯著作用，值得在高校體育課中推廣。

表4 實驗組1、2的800m成績分布

4 研究結論與討論

4.1 結論

耐力素質具有較大差異的對照組與實驗組，腦電信號的反饋也具有明顯區別。這同時也驗證了之前的研究假設。本研究在針對不同實驗組練習方法的選擇上，還存在練習手段單一、設備簡陋、場地選擇有限等方面的制約，對實驗數據會產生一定的影響，但不影響最終實驗結果。

腦電可以作為一個重要參考指標，指導有氧運動的開展，提高耐力素質。以無限接近腦電模型(提取對照組學生的腦電建立的數學模型)為前提，隨時調整走跑交替的訓練方案。三個月后，實驗組2的耐力素質水平要優于實驗組1。

4.2 討論

本研究把腦電技術運用到了“學校體育”范疇之中，與以往的“競技體育”圈中的研究具有很大區別。“學校體育”具有很大的人群基數，未來可以把腦電技術與學校體育中可開展的體育項目結合，找到更好的教學方法讓學生高效地掌握某項運動技術。讓腦電技術更多地服務于“學校體育”中。

我們近年來一直從事大學生體質健康狀況的研究，從腦電信號分析與數據挖掘技術相結合的角度，為此研究帶來全新的視角和強大的技術支持。本研究的順利實施將對提高本省在校學生體質健康的水平帶來積極意義，具有良好的社會效益和應用市場，對促進和諧浙江建設也必將發揮積極作用。

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