Firstbeat團隊監控系統在自由式滑雪空中技巧項目中的應用

陳素峰，張冠男，徐起麟，王敬茹，柴建中

（河北省體育科學研究所，河北 石家莊 050011）

1 引言

2022年北京冬奧會是一屆精彩絕倫的冰雪盛會，從國際性賽事角度來看，北京冬奧會有利于增進世界各國人民的“中國認同”和文明互鑒；從北京冬奧會對我國冰雪運動的影響層面來看，以此為契機有力傳播了全民健康理念，極大推廣和拓展了我國冰雪運動的“活躍區”。伴隨著北京冬奧會的籌辦進程，國內各冰雪項目設施不斷完善，冰雪愛好者與日俱增，冰雪運動正以前所未有的感染力席卷全國。中國作為2022年冬奧會的主辦國，從競技體育本身出發，理應讓我國冰雪健兒能以更好的表現登臺亮相，因此必先在科學備戰、負荷把控、機能評定上深耕厚植。

自由式滑雪空中技巧隊在我國素有“雪上先鋒”的殊譽，為了響應“科技助力冬奧”的號召，早在2018-2019賽季就率先引入芬蘭研發的Firstbeat團隊監控系統[1]。該系統以心率變異性（HRV）指標為基礎，由此對運動員自主神經系統調控下的機體恢復進行監控。同時，系統中的負荷評定版塊也能為專項跳臺訓練的負荷量、負荷強度及能量代謝類型的定量分析提供數據基礎，是推進數字化、科學化訓練進程的重要一步。國際國內曾就“如何對運動員機能狀態進行合理監控”這一命題開展過大量的理論和實踐研究[2]，Firstbeat團隊監控系統的出現為我們提供了一種具有大樣本量、具備“個性化”計算和評定能力的工具，用來實現批量優秀運動員的機能監控和負荷評判。而該系統此前尚未運用于自由式滑雪空中技巧項目，本文即要觀察和論述Firstbeat團隊監控系統中的各生理學參數能否為空中技巧專項的機能評定和負荷界定提供較好的參考。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

本文選取我國自由式滑雪空中技巧國家隊現役的12名運動員（6男6女），針對2019年在加拿大外訓期間的Firstbeat監控測試數據進行研究。

2.2 研究方法

2.2.1 測試法

使用Firstbeat團隊監控系統對研究對象進行為期2個月的監控。Firstbeat的各項指標大致分為兩個板塊：一是以HRV原理及基于竇性心律不齊的程度來對運動員進行實時或者睡眠過程中的壓力水平分析，進而推算出運動員在自主神經系統（ANS）主導下的恢復水平和生理應激水平；二是基于大量的實驗室研究案例及已研究證實的不同運動模式下的代謝當量（METs）和攝氧量（VO2）水平構建生理模型，并結合運動員的訓練水平和實時心率（HR），對運動訓練過程中各指標的變化情況進行推算，其中，訓練效果（TE）、訓練沖量（Trimp）、能量消耗、最大攝氧量（VO2max）等均為通過此種方法換算得出的主要指標。

2.2.2 專家訪談法

對自由式滑雪空中技巧國家隊若干現任教練及相關管理人員進行訪談，尋求專項技術方面的支持和幫助。對若干重點運動員進行訪談，考察運動員們的親身體會和實際感受，進而對照測試結果進行分析論述。

2.2.3 文獻綜述法

檢索查閱Firstbeat研發團隊關于相關研發原理和進展的論文數篇，以及關于HRV在體育運動中應用研究的論文數篇，作為本文的理論支撐。

3 研究結果與分析

3.1 基于Firstbeat監控系統中HRV板塊進行疲勞恢

復測試的應用成果

利用Firstbeat對運動員進行疲勞恢復測試的結果表明，不同運動員的恢復能力具有較大的個體差異性。通過比較疲勞恢復得分（recovery score）的歷史最高值，同一名運動員在訓練干預下呈現出較為有序的疲勞恢復波動趨勢，具體情況如下。

3.1.1 不同運動員recovery score紀錄具有顯著的個體化差異

經過跟蹤測試發現，6名男子運動員recovery score紀錄的平均值為270.33±53.37分，6名女子運動員recovery score紀錄的平均值為233.83±43.36分。經過組間方差分析發現男女運動員recovery score紀錄的差異僅具有趨勢性意義而沒有統計學意義，男子運動員的recovery score紀錄有高于女子運動員的趨勢。加拿大外訓期間12名運動員的recovery score紀錄，見圖1。

圖1 空中技巧國家隊運動員外訓期間recovery score紀錄Figure 1. Recovery score records of the national aerial team during external training

通過一段時間的疲勞恢復測試發現，在運動員狀態較好、無疲勞累積且前夜睡眠質量較好時，可能會創造新的recovery score。運動訓練過程伴隨著新recovery score紀錄的不斷出現，類似于超量恢復理論中的“破”與“立”之學說。恢復指數（Recovery Index）由HR、HRV和HRV基礎呼吸率計算，其中HRV測量值利用短時傅里葉變換（STFT）方法進行逐秒計算[1]。此外，數據過濾用于選擇具有代表性的數據周期，以最優地描述恢復狀態。目前，有不少同仁對于不同運動中HRV的技能監控和負荷診斷進行了專門性的研究[3-5]。但有數據表明，在所有條件下，Recovery Index對運動員恢復狀況的反映似乎比基本HR或傳統的HRV更敏感[2]。因此通過此種算法得到運動員的Recovery Index，更有利于直觀地對運動員的整體恢復情況進行判定。同時通過跟隊發現，運動員競技能力提高的過程也是自主神經系統調控更加均衡和recovery score紀錄不斷刷新的過程。

3.1.2 運動員疲勞恢復情況的個體性波動趨勢研究

以空中技巧項目國家隊重點運動員徐**、齊**、王**、孔**加拿大外訓期間40天的疲勞恢復比率變化趨勢為例，研究疲勞恢復情況的個體性波動趨勢，見圖2。

圖2 運動員個體恢復水平波動趨勢Figure 2. Fluctuation trend of individual recovery level of athletes

由2圖可知，運動員疲勞恢復比率呈現出個性化的波動趨勢。通過結合每日訓練計劃和負荷可知，運動員恢復比率的波動趨勢主要與測試前一日的訓練負荷呈負相關關系；同時，同樣的訓練內容，次日疲勞恢復比率也可能會出現不同的波動，主要取決于運動員對于訓練負荷的耐受和適應情況。經過對幾名重點運動員進行訪談發現，疲勞恢復狀態與運動員睡眠質量、生理周期（尤其是女子運動員）及前一日的訓練負荷具有較為明顯的關系。教練員可以根據訓練次日運動員不同的恢復特點，對訓練內容進行個性化的修正，以保證訓練負荷對運動員機體產生適宜的刺激[6]，使訓練強度更加科學。

根據ANS中HRV指標對于人體機能反饋的生物學原理[7]，交感神經和副交感神經同步、相反地發揮著作用，并相互對立。副交感神經主要涉及放松，幫助身體休息和恢復；交感神經則通過加速身體功能來為身體戰斗做好準備，并且還與壓力相關，能根據需要提高心肌收縮力量，在應激狀態下可將心輸出量提高2～3倍。交感神經與副交感神經通過氣壓和化學感受器收集到的心臟跳動干擾信息來維持心血管的動態穩定。支配心臟的副交感神經支是迷走神經，HRV則是迷走神經與交感神經對心臟支配水平的一個重要指標，在一定程度上能夠反應交感神經與迷走神經支配強度的水平[8]。運動訓練時會使交感神經張力大幅度增加，過量的訓練負荷會使機體在較長一段時間內保持著交感神經的興奮，進而妨礙副交感神經的恢復性措施順利開展，表現為HRV測試結果的下降。因此，通過測試可以反映個體對訓練負荷的適應情況，并據此不斷調整訓練負荷。

3.2 基于Firstbeat監控系統中HR和個體生理模型對專項跳臺訓練負荷的評價

3.2.1 負荷強度相關指標的監控結果分析

3.2.1.1 進行相同難度跳臺訓練時的負荷強度變化運動員在進行相同動作難度的訓練時負荷強度不盡相同，會在相同TE水平里出現上下波動的情況，以女子運動員邵*的監測數據為例，見圖3。

圖3 邵*進行相同動作組合跳臺訓練時的TE變化Figure 3. TE changes when Shao＊ performs the same action combination air training

邵*在8月6～20日進行了固定組合的三周臺訓練，其中8月8日、12日、15日、16日和19日為調整日。通過觀察可知，在每個訓練小周期（約3天）的第1個訓練日，TE水平會出現一個峰值，隨后在小周期內呈下降趨勢。在不同的訓練日，同一名運動員做相同難度的動作產生的訓練效果并不相同，可能是由于不同跳次中，運動員的機能狀態、心理準備、內分泌水平均不相同所形成的綜合性表現結果。

TE是指在長時間運動中，單次運動對改善心肺功能和抗疲勞能力的影響[9]。不同的訓練負荷會引起訓練中TE在1～5之間波動，TE值越高表示訓練的負荷強度相對越大且越偏向于無氧訓練，越低則表示訓練的負荷強度相對越小且偏向于有氧練習。在專項運動訓練中，要積極探索適合本項目的TE水平波動趨勢和強度配比，制定相應的TE水平訓練子目標，讓訓練更加行之有效。自由式滑雪空中技巧項目運動員由于進行跳臺練習時的生理和心理準備不盡相同，在完成相同難度的動作時受到動作熟練程度的影響，往往會出現TE從起伏落差較大向趨于平穩過渡。

3.2.1.2 進行不同跳臺周數和難度的負荷情況研究

同一名運動員不同周數的跳臺訓練負荷強度顯然不一致。通常自由式滑雪空中技巧國家隊每次專項跳臺訓練是由8～20跳不等的跳臺次數組成，難度越低、跳臺周數越低，跳次越多；反之亦然。通過大量的監控數據表明，隨著跳臺動作難度、跳臺周數的上升，訓練所造成的TE水平、最大心率（HRmax）會呈現顯著上升的趨勢。以女子運動員孔**多次訓練中兩周臺動作組合和三周臺動作組合的TE、HRmax情況為例，見表1。

表1 孔**進行跳臺專項訓練的TE和HRmax指標對比Table 1 Comparison of TE and HRmax indexes for Kong＊＊’s specific air training

通過對兩周臺、三周臺負荷強度指標進行配對T檢驗，結果顯示三周臺的TE 、HRmax指標數值顯著高于兩周臺，表明隨著跳臺難度的上升，TE和HRmax也會出現上升的趨勢。隨著跳臺周數、動作難度的上升，騰空高度、助滑長度、過渡區速度、出臺速度和騰空拋物線都會出現相應的變化，尤其是高度和速度的改變會導致內分泌系統的同步生理應激效應，導致腎上腺素分泌增加，HR加快。同時由于前饋作用的存在，通過Firstbeat監控系統可以發現，運動員從起滑點就開始表現出HR明顯提升的現象。

3.2.1.3 長期進行相同動作難度訓練時訓練負荷的變化研究

同一名運動員在進行相同動作難度的訓練時，相對負荷強度也不一致。隨著運動員水平、動作掌握程度的增強，跳臺動作難度也會逐漸增加。當運動員開始進入新的高難度動作初期或者重回歷史較高難度動作初期，訓練引起的代謝水平較高、TE和HRmax水平較高；當運動員適應了該難度動作之后，再進行同樣難度動作的跳臺訓練時，訓練引起的負荷強度相關指標會有明顯的下降趨勢。以女子運動員邵*學習和鞏固三周臺bLTT、bLTF動作組合時的負荷強度指標TE變化為例，見圖4。

圖4 邵＊進行相同動作難度組合專項訓練時負荷強度的變化Figure 4. Changes of Shao＊’s load intensity during special training with the same movement difficulty combination

造成此現象的原因可能是由于運動員在剛剛進入某個新的難度動作訓練初期，并不能完全地、熟練地掌握動作技術的全部細節，需要進行大量的調節及抑制活動。而當運動員逐漸習慣此技術動作后，部分技術要領已初步固化甚至自動化，需要進行的機體反饋調節減少，進而使機體代謝水平、應激水平相應下降[10]，出現TE和HRmax指標降低的情況。

3.2.2 負荷量相關指標的監控結果分析

在Firstbeat監控系統的諸多指標中，有3個指標可以直接評價訓練負荷量的大小，分別為Trimp、能量消耗和訓練過程的平均心率（HRaverage）。由于技巧類項目的特殊性，訓練時間的累積、跳次的增加、跳臺難度的增加、跳臺負荷強度的提高都可能對單位時間內負荷量的變化產生影響。通過對運動員在加拿大的跳臺訓練數據進行統計學研究，將訓練時長（Duration）和TE作為自變量，以Trimp、能量消耗和HRaverage指標作為代表訓練負荷量的因變量進行相關性分析，發現Trimp、能量消耗與Duration指標間具有顯著相關性（P<0.05），而HRaverage與TE間具有顯著的相關性（P<0.05）。

Trimp的影響因素主要是Firstbeat監控系統根據運動員的年齡、性別、活動等級等指標建立的個性化生理模型，能量消耗的主要影響指標為個體基礎代謝率、訓練負荷等[11]。通過統計學檢驗可知，在相對恒定的基礎代謝率前提下，跳臺訓練的負荷量水平主要與持續時長相關，而與跳臺動作難度的相關性并不顯著。這可能是由于跳臺訓練造成生理代謝水平提高是一過性的，持續時間也較為短暫，并不足以引起運動訓練負荷量的顯著提高。

3.2.3 跳臺訓練/比賽VO2水平的測試結果及分析

通過對2018-2019賽季自由式滑雪空中技巧三站世界杯比賽中男子運動員王**的監控發現，累計其近10次完成的三周臺高難度動作，平均VO2約為VO2max的80%，上下浮動在3%以內。通過對女子運動員邵*進行跳臺訓練監控時發現，其在進行固定的兩周臺bFF和三周臺bLTT動作組合訓練時，平均VO2也已達到VO2max的80%左右，且VO2max水平與王**接近。由此可以部分反映出兩方面的問題：一是在進行跳臺高難度動作時，VO2max水平在男女運動員間的差異不大，在訓練和比賽中的差異也不大；二是VO2max水平可能會影響運動員進一步增加跳臺難度。技術動作能否進一步優化提升的前提是機體供能能力是否配套，如果VO2max水平（有氧供能系統的能力）得不到有效提升，很可能會限制其專項動作技術的長遠發展，此觀點也與空中技巧國家隊體能主教練牛雪松[12-14]教授相一致。原則上來講，自由式滑雪空中技巧項目對于有氧代謝能力是十分依賴的，因為從解剖學的角度來看，空中進行諸多體態的調整、出臺瞬間身體姿態的穩固以及中樞神經系統調節機制都仰仗于高水平的有氧供能能力。空中技巧項目運動員也一直較為注重基于最大心率百分比（HRmax%）、最大攝氧量百分比（VO2max%）層面的供能訓練，堅持供能系統服務于專項跳臺競技表現的“兩點論”[15]。因此在日常的訓練備戰過程中，應該更加重視對VO2max的提高，以從能量代謝角度支持更高難度的訓練。對于跳臺訓練進行VO2監控有利于教練員了解運動員訓練時的機能代謝狀態，并可以將之作為是否可以提升訓練難度的一個參考指標。

4 結論與建議

4.1 結論

1.以Firstbeat團隊監控系統為標尺對運動員進行疲勞恢復測試，可以對比評價運動員對運動負荷的個體性生理適應能力和負荷承受水平。

2. 可以利用Firstbeat團隊監控系統中的負荷指標體系來評價自由式滑雪空中技巧專項跳臺訓練的相對負荷強度和負荷量，對于優化專項訓練計劃、規避專項運動損傷具有積極作用。

3. 為了更好地運用非技術指標對自由式滑雪空中技巧專項跳臺訓練負荷進行量化，可以參考Firstbeat團隊監控系統中相關指標，其中負荷量的評定可以參考Trimp和能量消耗；負荷強度的評定可以參考HRaverage和TE。

4.2 建議

訓練負荷對于運動員重建專項生理適應具有十分重要的作用，競技體育運動的關鍵在于重塑專項生理適應、構建專項動作模式、強化專項肌肉功能，因此圍繞此三方面的評價，應該在依托Firstbeat團隊監控系統的基礎上，綜合開發和運用更多的監測手段。當前運動科學乘新一輪科技革命和對外開放之風，表現出加速革新、快速迭代的趨勢，更多功能、更高精度、更廣跨度的運動負荷和生理機能監控方法層出不窮并在國內快速推廣普及，我們既要正確認識運動監控的本質要求，又要兼容并蓄地看待和運用各類新興監控手段。只有明確監控的意義和目的，與時俱進地掌握新的監控方法，才能根據實際工作需求選取最恰當的方法手段，提出最嚴謹可信的結論建議。