大華技術學院
機電工程研究所
碩士論文
碩士論文
碩士論文
碩士論文
探討運動前後對人體神經系統反
應行為之研究
Around discussion movement to
research human body nervous system
response behavior
研
研
研
研 究
究
究 生
究
生
生：
生
：
：楊仕銘
：
楊仕銘
楊仕銘
楊仕銘
指導教授
指導教授
指導教授
指導教授：
：
：林明漢
：
林明漢
林明漢 教授
林明漢
教授
教授
教授
中 華 民 國 九十七 年 七 月探討運動前後對人體神經系統反應行為之研究
Around discussion movement to research human body
nervous system response behavior
研 究 生：楊仕銘 Student：Shih-Ming Yang 指導教授：林明漢 博士 Advisor：Dr. Ming-Han Lin
大華技術學院 機電工程研究所
碩士論文
A Thesis
Submitted to Institute of Mechatronic Engineering Ta Hwa Institute of Technology
in partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of
Master of Science in
Mechatronic Engineering July 2008
Hsinchu, Taiwan, Republic of China.
摘要
本研究目的是針對不同運動強度，對人體運動後之心跳及自主神 經功能恢復變化做探討。避免性別及年齡因子對心率變異度(HRV)造 成影響，因此徵選10名男性研究生與大學生為研究對象，所有受測者 皆無疾病且健康良好，所有受測者在受測前皆安靜仰臥休息20分鐘， 安 靜 仰 臥 休 息 結 束 後 ， 在 跑 步 機 上 暖 身 並 接 受 中 強 度 運 動 (50~69%HRmax)與高強度運動(70~89%HRmax)持續5分鐘，所有過程 皆利用腕式生理監視器-心律大師(ANSWatch)紀錄，記錄安靜及運動 程序中的生理訊號(脈波圖)。實驗結果：1、運動強度的增強會使血 壓、心跳(HR)及代表交感神經活動的LF/HF增強，使RR波間期、心率 變異度(HRV)、功率頻譜及表示副交感活動的HF%減弱。2、運動強 度的增強不會影響到血壓及自律神經系統恢復所需的時間。綜合以上 分析可知運動強度的增強，將會反應在各項生理訊號上，而生理訊號 恢復所需的時間也會受到運動強度增強而影響。 關鍵詞：自主神經系統、心跳、血壓、功率頻譜。ABSTRACT
This paper proposed variations of heart rate and HRV under the condition before and after human exercise. Ten healthy students are chosen as the objects of this study. They are subject to mid-strength and high-strength exercise during five minutes on the treadmill.
ANSWatch monitor is used to record the heart rate and HRV signal. FFT software is developed as a post-treatment tool. Results are shown that :
1. Blood pressure, heart rate and LF/HF are increasing after exercise. However, RR-intervals, HRV and HF are decreasing.
2. Recovery time of blood pressure, HF and LF do not be affected by the strength of exercise.
3. Recovery time of HRV, HR, and RR-intervals are affected by the strength of exercise.
One can conclude that human physiology signal are affected by the strength of exercise.
Keywork：Autonomic Nervous System、Heart rate、Blood pressure、Power Spectrum Density。
誌謝
本論文能得以順利完成，首先，要感謝指導教授林明漢博士的 細心教導，並不時的指點給予正確的方向及在論文撰寫期間細心的修 改。在求學期間中，更從老師身上學到了許多求學問的態度及解決問 題的方法。 本論文的完成亦得感謝台灣科學地股份有限公司孫德銓博士，給 與研究上的指教及評點。 其次，感謝口試委員林國楨博士、王明誠博士以及何世偉博士撥 冗參予口試，並給予論文指正與建議，使本論文更臻完善。再者，感 謝所有的研究所學長及同學們，這些年來的陪伴，你們的陪伴讓我研 究生活變得絢麗多彩。 最後，將我論文獻給我最敬愛的父母，有你們的支持我才能全心 全意的完成學業。
目錄
目錄
目錄
目錄
中文摘要...I 英文摘要...II 誌謝... III 目錄...IV 圖目錄...VI 表目錄...VII 第一章、緒論 1.1 前言 ...1 1.2 研究背景與動機 ...2 1.3 研究目的 ...2 1.4 名詞解釋 ...3 第二章、理論基礎 2.1 心率變異度 ...6 2.2 自主神經系統 ...9 2.3 心率變異度在臨床與運動上的應用 ...13 第三章、實驗方法與步驟 3.1 實驗對象及設計 ...17 3.2 實驗儀器與設備 ...173.3 實驗設備 ...18 3.4 實驗流程 ...22 3.5 實驗前相關注意事項 ...23 3.6 實驗作業和程序 ………...24 3.7 運動強度的設定 …………...26 3.8 訊號擷取與數據分析 ………...27 第四章 結果討論 4.1 測試者基本資料 ...31 4.2 安靜到運動休息 30min 後血壓之比較 ...31 4.3 安靜到運動休息 30min 後各項生理參數之比較 ...33 第五章 結論 5.1 結論 ...45 參考文獻 ………...47 附錄一
受測者相關問卷調查表
………..………51 附錄二ANS Watch 管理程式(二)
……….…..………52 附錄三 動力性運動至力竭時收縮壓與舒張壓的變化………56 附錄四 受測者資料………57 附錄五 程式………61圖目錄 圖目錄 圖目錄 圖目錄 圖 1.1 心臟剖面圖……….4 圖 1.2 心電圖波形……….…...……….4 圖 2.1 功率頻譜………..………...…………8 圖 2.2 交感神經系統……….…………..11 圖 2.3 副交感神經系統……….………..12 圖 3.1 跑步機……….……..21 圖 3.2 新型腕式生理監視器--心律大師(ANSWatch®) ………...21 圖 3.3 實驗流程圖……….………..22 圖 3.4 實驗時序圖……….……..25 圖 3.5 Tompkins 即時 QRS 波偵測法……….29 圖 3.6 QRS 波偵測圖…...………...……….29 圖 4.1 中強度運動前、後及運動休息 30min 後之 RR 比較圖………36 圖 4.2 高強度運動前、後及運動休息 30min 後之 RR 比較圖………36 圖 4.3 中強度運動前、後及運動休息 30min 後頻譜圖……….39 圖 4.4 高強度運動前、後及運動休息 30min 後頻譜圖……….39 圖 4.5 中強度運動後及運動休息 30min 後頻譜圖………...40 圖 4.6 高強度運動後及運動休息 30min 後頻譜圖…………...………40
表目錄 表目錄 表目錄 表目錄 表 3.1 運動強度分類………..26 表 4.1 測試者基本資料………..31 表 4.2 各組運動前、後及運動休息 30min 後收縮壓之比較………….31 表 4.3 各組運動前、後及運動休息 30min 後舒張壓之比較………….32 表 4.4 各組運動前、後及運動休息 30min 後心博率之比較………….33 表 4.5 各組運動前、後及運動休息 30min 後 RR 波間期之比較……34 表 4.6 各組運動前、後及運動休息 30min 後心率變異度之比較…….37 表 4.7 各組運動前、後及運動休息 30min 後 LF 之比較………41 表 4.8 各組運動前、後及運動休息 30min 後 HF 之比較………42 表 4.9 各組運動前、後及運動休息 30min 後 LF/HF 之比較…………..42
第一章 第一章 第一章 第一章 緒論緒論緒論 緒論
1.1 前言
前言
前言
前言
人體內的心跳速率、血壓、呼吸系統等生理功能，皆無法受到大 腦意識所控制，是由自主神經系統的調節與控制以維持體內環境穩 定。自主神經系統(Autonomic Nervous System，ANS)又分為交感神經(Sympathetic Nervous System，SNS)與副交感神經(Parasympathetic Nervous System，PNS)兩大系統。當交感神經活絡時，心跳加快以利 血液循環、血管收縮增加血流阻力而提升血壓。反之，副交感神經活 絡時，心跳減緩、血管舒張、降低血流阻力使血壓下降。自主神經系 統在交感與副交感神經系統之間保持平衡，相互制衡。當自主神經系 統受到外界環境改變及壓力時，交感神經與副交感神經系統相互之間 就會失去平衡，需靠腦間分泌腦內荷爾蒙來修復自主神經系統。 運動時會引起交感神經活絡使血管收縮，而使不參與運動的骨骼 肌及內臟器官的血流量減少，以確保有足夠的血流量給予積極參與運 動的肌肉群。運動中的肌肉群會因為交感神經活絡使得肌肉中血管舒 張，當運動持續進行時肌肉中的耗氧量會上升，為了使肌肉能獲得更 多的氧氣，肌肉中開放的毛細血管量增加，促使血液與肌肉組織之間 氣體交換面積增大。血液主要仰賴心臟的傳輸，靠者心臟將血液傳輸 到肺部使血液含氧量增加，再送至身體各部位以供給肌肉所需的氧
氣，所以當運動量增加時，心臟血液輸出量就必須增加，此時所表現 的就是心跳率的增加。故心跳率常被用來了解運動強度、運動量、運 動訓練對人的影響及運動後的恢復情況。 1.2 研究背景與動機研究背景與動機研究背景與動機研究背景與動機 近幾年來在國際運動場上，偶會聽見運動員於運動場上猝死之消 息，由於運動員是眾人所矚目的焦點，也是被認為最健康的人，因此 運動員的猝死就成為國際所注目的焦點，而運動員的猝死主要是患有 先天性心血管疾病的運動員在活動中，因為劇烈運動使身體需氧量增 加及交感神經活絡，而體內無法承受逐漸增加的循環功能負擔，就容 易導致血管痙癴及心肌缺血，而引起心律不整，甚至猝死。一般人認 為經常性的鍛鍊會使身體變得更加強壯，但實際上劇烈及長期負荷運 動是會對身體心血管帶來重大衝擊，也會造成人體的過度疲勞，而產 生疲勞後又沒得到充分的休息，就會對身體器官造成負擔，成為猝死 的高危險群。因此本研究將利用心跳率及自主神經來去了解不同運動 強度對其影響，以及在不同運動強度下是否需要花更多的時間才能讓 身體恢復。 1.3 研究目的研究目的研究目的 研究目的 本研究將透過不同的運動強度，來分析中、高運動強度對運動 者，在運動前、後及運動後休息 30min 之心跳率與自主神經系統的變
化做探討，包括： (一)運動後的心跳率與自主神經系統是否受運動強度的影響。 (二)運動強度的不同是否會在恢復過程中影響受測者心跳率及自主 神經系統生理指標。 1.4 名詞解釋名詞解釋名詞解釋名詞解釋 (一一一一)R-R 波間期波間期波間期(R-R interval) 波間期 心臟之電傳導是靠著心臟所有系統來完成規律性的心臟收縮。此 系統傳導之路徑經由竇房結(SA node)出發→節間路徑(internodal pathways)靠脈衝擴散到左右心房使其去極化與收縮，然後經由房室結 (AV node)→希斯氏束(bundle of His)→右束支與左束支(right and left bundle branches)右束之沿者心房間隔將電傳導至右心室、左束沿者心
房間隔傳導至左心室，最後左右束支終止於浦金氏纖維(Purkinje
fibers)使心室去極化產生收縮[1]。以上這些現象將會反應在心電圖的 PQRSTU 波上如圖 1.1 及圖 1.2。
圖 圖 圖 圖 1.1 心臟剖面圖心臟剖面圖心臟剖面圖[資料來源：基本心電圖判讀][1] 心臟剖面圖 圖 圖圖 圖 1.2 心電圖波型心電圖波型心電圖波型 心電圖波型 節間路徑 竇房節 房室節 右束支 左前分枝 左後分枝 希斯氏束 浦金氏纖維
心電圖中的 R 波是指 QRS 波中向上的波形，而 R-R 間期是指心
電圖中的 R 波到下次 R 波所花的時間。(單位：毫秒) (二二二二)心率變異度心率變異度心率變異度心率變異度(Heart rate variabilityyyy，，，HRV，HRVHRVHRV)
心跳的快慢會受到竇房結與自主神經系統的影響，基本上心臟跳 動主要是受到竇房節規律性放電而引發的，而自主神經系統很容易受 到外在刺激及生理變化所影響，所以當身體感到不適，都會影響心 率，相對的心率受到影響大的化則心率變異度大，反之則否。 (三三三三)運動運動運動運動強度強度強度強度 運動強度是一種衡量身體勞動強度的方式，其運動強度的判別方 式有很多種，不管以何種方式去定義運動強度，它都會讓你的運動更 有效率。
第二章
第二章
第二章
第二章 理論基礎
理論基礎
理論基礎
理論基礎
2.1、
、
、
、心率變異度
心率變異度
心率變異度
心率變異度
2.1.1、
、
、
、心率變異度的發展
心率變異度的發展
心率變異度的發展
心率變異度的發展
人體的心臟並非以固定的速率跳動，就算人體處於穩定狀態下 也有些許的不同，也就是每次心跳間隔不一定，而此變異稱為心率變 異，而早期就已發現心率變異的存在，但此種變異度常被拿來當成雜 訊處理，直到 1965 年才有學者(Hon and Lee)[2]將心率變異度應用於 臨床醫學上，利用心率受呼吸影響的現象應用於胎兒監測上，發現心 率受到自主神經影響且當心率變異度重大改變時胎兒有窘迫的現 象，因此這項研究使得學者瞭解到心率變異度的重要性。2.1.2、
、
、
、心率變異度的分析
心率變異度的分析
心率變異度的分析
心率變異度的分析
心率變異度分析是一種連續紀錄心跳變化的方法，其計算方法是 利用可準確紀錄心電圖的機器，將心電圖記錄起來再將訊號做處理， 把心電圖信號中的 R 波位置及時間記錄，並分析測量 R 波與 R 波之 間的時距，如此就可得到一組 RR 波間期的資料，爾後再進一步，將 所 測 得 的 所 有 RR 波 間 期 做 時 域 (time domain) 及 頻 域 (frequency(一
一
一
一) 心率變異度
心率變異度
心率變異度
心率變異度(時域分析
時域分析
時域分析)
時域分析
時域分析是將所有測得的心電圖波型，直接計算分析相連的心跳 間期再以統計學來分析，以求得各種指標及數值[3]。如下：
SDNN 為 RR interval 的標準差(standard deviation)，此為最簡
易的分析方式，為變異的均方根，在數學上此變異為頻譜 分析上的功率。 SDANN 連續正常五分鐘心跳間期的標準差。 SDNNIDX 連續正常 5 分鐘心跳間期標準差的平均數。 rMSSD 相鄰兩心跳間期差異的均方根。 PNN50 等於(NN50)/(RR interval 的總數)，及表示各區間差值高 於 50ms 的個數佔全部間期的比率，單位為%。
(二
二
二
二)心率變異度
心率變異度
心率變異度
心率變異度(頻域分析
頻域分析
頻域分析
頻域分析)
心臟的跳動，主要是受到自律神經系統的支配，嚴格說起來心臟 的跳動並非是規律性的。透過計算 RR-intervals 可以發現其特殊的變 動現象，其變動現象可利用功率頻譜分析去探索心臟自主神經機能變 化。將 RR-intervals 的資料統合起來，利用快速傅立葉轉換(Fast FourierTransform)，將橫軸以赫茲(Hz)為單位，縱軸以(ms2/Hz)為單位之功率
頻譜(PSD，Power Spectrum Density)，而此功率頻譜分析可以反映出 交感神經與副交感神經控制機制的現象。
R-R 波間期頻域的定義範圍是在 0~0.5Hz 之間，大致上可分為極
低頻、低頻與高頻。圖 2.1 中 0.04Hz 以下稱為極低頻(Very Low
Frequency，VLF)、0.04~0.15Hz 為低頻(Low Frequency，LF) 0.15~0.4Hz
為高頻(High Frequency，HF)、總功率(Total power，TP)0~0.4Hz，頻 譜曲線下的面積為各區域的功率。(American Heart Association, Inc 1996 心心心率心率率變異率變異度變異變異度度度各頻帶各頻帶各頻帶各頻帶之標準之標準之標準之標準)
圖 圖圖
2.2、
、
、
、自主神經系統
自主神經系統
自主神經系統
自主神經系統
2.2.1 自主神經系統檢測
自主神經系統檢測
自主神經系統檢測
自主神經系統檢測
傳統上自主神經系統功能是以侵入性的方式分析，包括受試者呼 吸、排汗測試、冷熱刺激、抽血、分析尿液…等，但這些測試方法往 往會造成受測者不舒適感或因為外加刺激影響心理因素造成不安 感，而產生短暫的心血管變化。 Ewing 等人[4]在 70 年代發現可利用大量的 RR-intervals 訊號變化 來檢測糖尿病病患的自主神經系統後，接者 Akselrod 等人 [5]發現安 靜狀態下時，HRV(Heart rate variability)中的低頻部份交感與腎素/血 管收縮的活性有關，而 HRV 的高頻部份會受到副交感神經的支配與 調節，為了更進一步證實心率變異度會受到交感神經與副交感神經的 影響，學者黃新作及川久保[6]等人紀錄病患休息時的心跳及交感神 經與副交感神經，並對病患使用副交感神經阻斷劑後進行紀錄，實驗 結果發現心率中，代表副交感神經部份的 HF 功率有大幅的減少，而 這個實驗也確實解釋了自主神經系統的改變，會在心率變異度上反映 出。2.2.2、
、
、
、自主神經的分佈與功能
自主神經的分佈與功能
自主神經的分佈與功能
自主神經的分佈與功能
自主神經系統分佈於內臟的各種器官中，並隨時因應身體內部情 報或身體外部刺激，而自然作出反應，可知自主神經系統是與意志無關需配合身體器官來活動。自主神經系統主要是由交感神經和副交感 神經這兩種神經所合成的，交感神經作用主要與緊急狀況發生及能量 釋放有關，而副交感神經的作用則與休息狀態及能量儲存有關，此兩 種神經對身體器官的作用是相對的，會因應身體當時需要而做出改變 藉以維持人體的平衡[7]。
2.2.3、
、
、
、交感神經系統
交感神經系統
交感神經系統
交感神經系統
自主神經系統中的交感神經又稱為胸腰神經，因此系統的神經都 源自於脊髓的胸部與腰部，其作用於皮膚、血管、內臟等，並廣泛的 分佈於各器官中，其傳導方式是利用神經末梢分泌之神經傳導素乙醯 膽鹼(acetylcholine)；而投射目標器官上的節後神經元突觸則利用腎上 腺素(norepiniphrine)為神經傳導素[7]。圖 2.2 為交感神經系統分佈。 圖 圖 圖 圖 2.2 交感神經系統交感神經系統交感神經系統交感神經系統[資料來源資料來源資料來源資料來源：：：小小神經科學：小小神經科學小小神經科學][8] 小小神經科學2.2.4、
、
、
、副交感神經系統
副交感神經系統
副交感神經系統
副交感神經系統
副交感神經是由腦神經的末梢與脊髓下方的仙髓為中心並作用 於各器官，而由中腦延伸出來的副交感神經，具有調節心臟或血管中 迷走神經的功能以及支配顏部運動，其傳導方式是利用神經末梢分泌 之神經傳導素來傳遞分析，主要是以乙醯膽鹼為主(acetylcholine)。圖 2.3 為副交感神經系統分佈[7]。 圖 圖圖 圖 2.3 副交感神經系統副交感神經系統副交感神經系統副交感神經系統[資料來源資料來源資料來源資料來源：：：小小神經科學：小小神經科學小小神經科學][8] 小小神經科學2.3、
、
、
、心率變異度在臨床與運動上的應用
心率變異度在臨床與運動上的應用
心率變異度在臨床與運動上的應用
心率變異度在臨床與運動上的應用
近年來心率變異度分析逐漸受到重視且被用來做醫療的標準測 定及運動的量測，主要是因為心率變異度可用來分析交感神經與副交 感神經，因此，許多人藉由心率變異度的時域及頻域分析觀察疾病、 運動與自主神經之關係。(一
一
一
一)心率變異度在臨床疾病之研究
心率變異度在臨床疾病之研究
心率變異度在臨床疾病之研究
心率變異度在臨床疾病之研究：
：
：
：
(A)非心血管疾病之臨床研究
非心血管疾病之臨床研究
非心血管疾病之臨床研究
非心血管疾病之臨床研究
Burger AJ[9]經由實驗得知糖尿病病患不論白天還是晚上其心率 變異度的時域頻域都比正常人來得低。Andrew J. Buger[10]藉由 24 小 時 Holter(攜式心電紀錄器)和分析正腎上腺素，對 88 位充血性心衰竭 糖尿病病患及充血性心力衰竭病患做觀察是否會因為糖尿病而增加 危險，發現心衰竭糖尿病病例之病患除了正腎上腺素較低之外其心率 變異度中的低頻功率(LF)也顯著偏低。顯示糖尿病患者的心率變異度 時域及頻域都會低於一般病人及正常人。 Phyllik 等人[11]利用 24 小時心電圖監測器監測有冠心病的憂鬱 病患，發現憂鬱會造成心率變異度時域指標的減少。Zheng[12]針對 青少年做心理壓力檢測及心率變異度頻譜分析，發現在有壓力的情況 下，高頻功率(HF)會顯著減少且低頻功率(LF)會升高。表示心率變異 度(HRV)可用來測試及評估人體心理狀態。(B)心血管疾病之臨床研究
心血管疾病之臨床研究
心血管疾病之臨床研究
心血管疾病之臨床研究
Heikki 等人[13]利用心率變異度頻譜分析法，對高血壓與血壓正 常的病患進行測試，測試其心臟自主神經的活動狀況，發現長期的高 血壓患者總心率變異數比正常血壓患者來得低，且當身體姿勢改變時 高血壓病患較正常血壓病患的自主神經系統反應還遲緩。在各式各樣 病患人口中發現心率變化性較低的病患心臟病死亡率會較高，而研究 中得知高血壓病患其心率變異數較正常血壓患者來得低，因此得知高 血壓可能會增加心臟病的死亡率。(二
二
二
二)心率變異度在運動上之研究
心率變異度在運動上之研究
心率變異度在運動上之研究
心率變異度在運動上之研究：
：
：
：
(A)心跳與運動的關係
心跳與運動的關係
心跳與運動的關係
心跳與運動的關係
人體的心跳率會受到身體姿勢、運動、情緒與體溫等因素的顯著 影響。相反的，透過心跳率的測量，不僅可以評估人體的身體狀態， 還可以判定心肺功能優劣、做為運動強度指標、評估運動能量消耗、 以及評估運動訓練效果等，因此心跳率是相當重要的人體運動生理指 標[14]。 運動時心率的增加是血液循環功能變化中最容易察覺的一種變 化，因為運動時肌肉的微血管擴張致使肌肉所需氧氣增加，此時就須 靠呼吸及循環系統的增強功能來因應，而血液循環系統又依賴著心臟 將血液送出主動脈至全身，因此當運動量增加時，血液輸出量就必須增加，此時表現在外的就是心跳的增加[15]。此外，心跳的測量心跳 與運動強度關係相當密切，透過運動時心跳的反應，可以讓我們了解 運動時身體的負荷。每分鐘心跳次數愈多，代表運動強度愈強。
(B)運動時心率變異度的變化
運動時心率變異度的變化
運動時心率變異度的變化
運動時心率變異度的變化
心跳率會隨者運動強度的增強而線性增加，所以，心跳率常被作 為評估運動強度的指標。運動上，學者黃新作[16]和Matthew [17]利用 心率變異度頻譜分析發現，人體隨者運動負荷量的增加，心跳律動頻 率會隨者運動負荷量的增加而增快，頻率中各成份(LF、HF)會有減少 的現象產生，而發現隨者運動強度的增強副交感神經的活性會逐漸減 弱而交感神經活性會逐漸增強的現象M.J.Lewis等人[18]針對11名年 輕健康病患作研究，運動負荷60W持續5分鐘之後每3分鐘增加30W的 負荷直到心跳達到max85%為止，運動期間發現交感副交感神經功率 不斷減少，且LF/HF只有在中強度負荷到強度負荷運動時才較顯著上 升，而輕度到中度沒有明顯的不同。而由以上研究知道人體在漸增負 荷的運動中，心律變異度中的頻譜成份皆有減少的現象。(C)長時間運動後心率變異度的變化
長時間運動後心率變異度的變化
長時間運動後心率變異度的變化
長時間運動後心率變異度的變化
Bernard等人[19]將25位小孩隨意分配成控制組與運動訓練組兩 組，運動訓練4週每週五天運動40分鐘，藉以得知運動訓練對小孩心 變化性的影響，發現經過運動訓練的小孩體脂肪及心跳減少、總功率 中的低頻會被減少及改變心臟自主神經的成份。Phyllis等人[20]將老 人分成運動組(66.2±4.2歲)與對照組(65.7±4.1歲)兩組，利用Holter儀器 記錄老人12個月的運動訓練，每週運動5小時前3個月伸展運動後9個 月進行最大攝氧量70%的有氧運動，經由1年的運動訓練發現運動組 的心率變化性會上升而改變最大的是夜間的心率。以上的運動實驗研 究顯示規律的運動訓練能有效的增加心律變異度。第三章
第三章
第三章
第三章 實驗方法與步驟
實驗方法與步驟
實驗方法與步驟
實驗方法與步驟
3.1、
、
、
、實驗對象
實驗對象
實驗對象
實驗對象及設計
及設計
及設計
及設計
為了避免性別及年齡因子對心率變異度造成影響，本研究徵選10 名男性研究生與大學生為研究對象，所有受測者皆無因為疾病而接受 藥物治療且健康良好，受測者前一天晚上不能熬夜，且實驗前 1 小 時不得進食任何東西及作激烈運動，以確保實驗數據的客觀性，每名 受試者接受不同運動強度的測試。 受測者接收不同強度運動(HRmax 50~69 中強度、HRmax 70~89 高強度)的測試，分為兩種運動測試以心跳為評定標準，不同運動強 度測試，但參照相同實驗的流程，所有實驗完畢之後將實驗數據輸入 MATLAB 作時域及頻域的分析。3.2、
、
、
、實驗儀器與設備
實驗儀器與設備
實驗儀器與設備
實驗儀器與設備
一、腕式生理監視器-心律大師(ANSWatch)紀錄生理訊號(脈波圖)。 二、ANSWatch Manager Pro 資料分析軟體。三、MATLAB(分析數據)做時域及頻域上的分析。 四、原地跑步機 Johnson International T8000Pro 。
3.3、
、
、
、實驗設備
實驗設備
實驗設備
實驗設備
3.3.1、
、
、
、實驗設備
實驗設備
實驗設備
實驗設備(跑步機
跑步機
跑步機
跑步機)
跑步機(圖 3-1)需選擇避震效果佳與跑步帶尺寸大的，如此能避 免跑步運動對膝關節及腳踝造成傷害，跑步機需能設定速度、時間及 觀測心跳，以便於實驗時隨時觀測及記錄測試者資料。3.3.2、
、
、
、實驗設備
實驗設備
實驗設備
實驗設備(新型腕式生理監視器
新型腕式生理監視器
新型腕式生理監視器
新型腕式生理監視器)
本研究是利用台灣科學地公司所開發的新型腕式生理監視器(圖 3-2)-- 心律大師(ANSWatch)來執行生理參數之量測；若量測血壓及心 率變異 (BP+HRV)，則可在大約五~七分鐘內獲得八個生理參數，包 括：收縮壓(SYS)、舒張壓(DIA)、心博率(HR)、心率變異(HRV，自 律神經總活性)、交感神經活性(LF(NU))、副交感神經活性(HF(NU))、 交感副交感平衡性指標(LF/HF)、及不規則心跳數等生理參數，測試 完畢，上述生理參數顯示於LCD 上，也可用RECALL 按鍵瀏覽過去 測試資料，量測儀器約可儲存50 組測試資料。 根據心律大師使用手冊及該公司所提供之技術資料，血壓(BP， 包含縮收壓、舒張壓)採用震盪法(Oscillatory Method)，經人體試驗依 水銀血壓校正後準確度為±8 mmHg，心率變異(HRV)依據1996 年歐 美國際標準[21](Task Force of the European Society of Cardiology and時域(Time Domain)及頻域(Frequency Domain)分析兩種方法，經人體 試驗依醫院用心電圖機(ECG; Agilent A3 Patient Monitor)校正後準確 度為±5%.心律大師在分析過程中並依照標準將非由自律神經引起之 不規則心跳(例如：身體移動、咳嗽、或心律不整(Cardiac Arrhythmia)
等)排除於HRV 分析之外，以提高心率變異各參數之準確度。心率變
異(HRV)各參數定義及計算如下所述[21]：(Task Force of the European
Society of Cardiology and North American, 1996)
a. HRV：自律神經功能總活性指標。 (單位：ms) b. HR：每分鐘心跳數。 c. TP：在頻譜分析中，NN 間距之總變異性， TP=VLF(AU)+LF(AU)+HF(AU)。(頻率介於0.0 ~ 0.4 Hz) (單位：ms2) d. VLF(AU)：在頻譜分析中極低頻成份。(頻率介於0.0 ~ 0.04 Hz) (單位：ms2) e. LF(AU)：在頻譜分析中低頻成份。(頻率介於0.04 ~ 0.15 Hz) (單位：ms2) f. LF(NU)：低頻成份所佔百分比
g. HF(AU)：在頻譜分析中高頻成份。(頻率介於0.15 ~ 0.4 Hz) (單位：ms2) h. HF(NU)：高頻成份所佔百分比 {HF(NU)=HF(AU) / [LF(AU)+HF(AU)]}，即副交感神經活性指標。 i. LF/HF：低頻成份LF(AU)/高頻成份HF(AU)， 即本文所述的交感/副交感平衡性指標。 j. VLF/HF：極低頻成份/高頻成份。 k. RMMSD：相鄰峰(NN)間距之差的平方總 和平均值的方根。 (單位：ms)
圖 3.1 跑步機
(Johnson International T8000Pro)
3.4、
、
、
、實驗流程
實驗流程
實驗流程
實驗流程
1.填寫受測者基本資料 2.填寫受測者同意書 3,告知實驗注意事項 4.實驗流程說明 基本身理值測試 (身高、體重) 受測者測試 1.安靜仰臥20分鐘 2.量測安靜仰臥20分鐘生理訊號 運動前 測量 1.跑步機上暖身直到達到指定運動 強度(HRmax50~69、70~89) 2.持續指定運動強度5分鐘 受測者測試 1.運動結束後測量生理訊號 運動後 測量 受測者測試 1.運動結束後休息30min 2.休息結束後測量生理訊號 運動休息 30min後 測量 資料處理 圖3.3 實驗流程表3.5、
、
、
、實驗前相關注意事項
實驗前相關注意事項
實驗前相關注意事項
實驗前相關注意事項
一、 實驗前勿飲食刺激性食品(可樂、咖啡、辣椒…等食品)。 二、 實驗當天不可服用任何藥物，若精神不佳、身體不適應告知施 測人員。 三、 實驗前一晚需睡眠充足。 四、 實驗前先上完廁所避免膀胱積尿影響生理訊號。 五、 實驗前勿做激烈運動。 六、 實驗前一小時不得進食。 七、 實驗前先到實驗室休息 20 分鐘後再做生理訊號的量測。 八、 實驗室盡量選擇安靜不容易受外在事物干擾的地方。3.6、
、
、
、實驗作業和程序
實驗作業和程序
實驗作業和程序
實驗作業和程序
實驗安排於同一時段來進行(2:00~ 5:00PM)，受測者前一天晚上 需充分的休息，實驗前1小時不得進食任何東西及做激烈運動，實驗 前先填寫個人基本資料及並告知受測者實驗流程及相關注意事項(附 錄一)，測量安靜時基本生理值(身高及體重)、及記錄室內溫度，充分 休 息 20分 鐘 後量測 生 理 參數 ，量測 時 需 將新 型腕式 生 理 監視 器 (ANSWatch)適當配戴於受測者左手腕上，配戴完後進行配戴測試(配 戴測試說明於附錄二)以排除因配戴位置不佳，而產生的不良數據， 量測高度約略與心臟位置同高，在量測過程中受測者不得有任何的移 動，以確保量測數據的客觀性，量測時間大約6~7分鐘，量測結束後 立即下載資料(含5-sec 及 5-min 波形圖)，以避免二次測量將資料覆 蓋(ANS Watch只能暫存一筆5-min資料)及確認資料使否有問題，確認 資料無誤後即執行運動測試(HRmax50%~69%、HRmax70%~89)，運 動測試完後馬上作量測，測量完馬上傳輸資料，總程序約10分鐘(測 量的同時也算是在休息)，運動休息30分鐘後繼續量測運動前與運動 後的測量姿勢需相同，根據黃新作、川久保[6]之研究得知測量姿勢 的不同，將會影響心跳的頻譜功率，因此本研究採用相同之測量前後 姿勢，將所測量之生理訊號匯入Excel及Matlab software做訊號處理及 數據分析(時域頻域分析)；實驗時序圖如圖3-4所示。運動 8~10 分 休息 20 分 測量 + 休息 7 分 測量 + 休息 7 分 休息 23 分 72-74 分 圖 3.4 實驗時序圖 測量 7 分
3.7、
、
、
、運動強度的設定
運動強度的設定
運動強度的設定
運動強度的設定
運動強度是一種衡量身體勞動強度的方式，其運動強度的判別方 式有很多種，不管以何種方式去定義運動強度，它都會讓你的運動更 有效率。以下為運動強度判別的方法[22]及表 3.1 所列之運動強度分 類。 (一) 最大心跳率百分比 主要是以心跳百分率來去辨別運動強度的方式。 其計算方式為「每分鐘的最大心跳率＝220－年齡」。 (二) 耗氧率 耗氧率是一種更為精確的方式主要是衡量運動時所消耗的氧 氣，即「耗氧量」或「VO2max」。 表 3.1 運動強度分類 分類 最大心跳百分比(%) 最大耗氧率百分比(%) 很低 ＜30 ＜25 低 30~49 25~29 中等 50~69 40~59 高 70~89 60~84 很高 ＞90 >85 最大 100 1003.8、
、
、
、訊號擷取與數據分析
訊號擷取與數據分析
訊號擷取與數據分析
訊號擷取與數據分析
3.8.1、
、
、
、快速傅立葉
快速傅立葉
快速傅立葉
快速傅立葉(FFT，Fast Fourier Transform)
(一
一
一
一)傅立葉轉換
傅立葉轉換
傅立葉轉換
傅立葉轉換(Fourier Transform)
在現今科學研究中，傅立葉轉換(Fourier Transform)[23]是一種很 重要的分析工具，傅立葉轉換能將訊號分解成不同頻率的 sin 及 cos 訊號，而傅立葉轉換圖中能顯示振幅及頻率的圖，並藉由圖去解釋分 析其物理意義，並針對需要而設計濾波器濾除不必要的雜訊，此外傅 立葉轉換也可達成訊號還原、消除失真、訊號變化處理…等功能。因 此，得知傅立葉轉換讓我們知道訊號頻譜分佈，進而分析訊號特性， 其計算式如下。 ( ) ( ) j t Xω
− ∞ x t e− ω d t + ∞∫ = • (3-1)(二
二
二
二)離散傅立葉轉換
離散傅立葉轉換
離散傅立葉轉換
離散傅立葉轉換(DFT，
，
，Discrete Fourier Transform)
，
通常求函數的傅氏轉換，其函數應由獨立的連續變數所定義。可
是，有時函數值只在某些點有定義。例如：某些實驗只在固定時間間 隔才取數據。然而不管函數形式是否連續，只要轉換動作以數值方式 運算即可，對於這些離散的分佈，通常都將之想成連續函數。處理信 號時，常藉由離散傅立葉來取得信號頻譜，因為離散傅立葉轉換
(Discrete Fourier Transform，3-2 式)[23]專門將離散信號由時間領域轉
傅立葉理論雖然很完整但是在轉換過程中相當繁重，嚴重影響利用此 轉換的各領域之發展，因此，如何減少離散傅立葉(DFT)運算量是許 多科學家所關心的。自從快速傅立葉轉換(FFT)演算法出現後使得離 散傅氏轉換(DFT)的運算效能大大提升，在數位信號處理上提供了一 個更好的方法，離散傅立葉轉換計算式如下。
( )
N-1∑( )
•
-jwnk；
n=02
X k =
x
e
k=1,2....N-1 =
N
π
ω
(3-2)3.8.2、
、
、
、訊號擷取
訊號擷取
訊號擷取
訊號擷取
本研究藉由台灣科學地所提供之機器(新型腕式生理監視器--心 律大師(ANSWatch®))，量取身體脈搏之訊號，爾後將訊號匯入商用 軟體(matlab)，再藉由 Tompkins 所提出之即時 QRS 偵測法[24]，找出 RR 波間期，偵測法流程圖如圖 3-5 所示，其處理後之訊號如圖 3-6 所示。經過 Tompkins 所提出之 QRS 即時演算法之後，就可得到 RR 波間期的串列級數，藉由此串列級數就可作 HRV 時域及頻域分析。 HRV 頻域分析是利用 Tompkins 所提出方法取得的 RR 波串列級 數利用差分法將其補至 2N，再經由快速傅立葉轉換(FFT，Fast FourierTransform)為功率頻譜密度分析(PSD，Power Spectrum Density)，將橫
軸以赫茲(Hz)為單位，縱軸以(ms2
/Hz)為單位，藉由功率頻譜分析可
ECG訊號 圖 3.5 Tompkins 即時 QRS 波偵測法 圖 3.6 QRS 波偵測圖 (a) 原始心電圖訊號 (b)經過帶通濾波 器 (c)訊號經過微分器 (d)訊號平方值 (e)視窗平均 帶 通 濾 波 微 分 器 平 方 視 窗 平 均 動找 態尋 閥R 值波
3.8.3、
、
、
、數據分析
數據分析
數據分析
數據分析
(一
一
一
一)資料收集
資料收集
資料收集
資料收集
本實驗收集受測者之身高、體重、血壓、心率變異度(HRV)、安 靜仰臥 20 分鐘 RR 波間隔(ms)資料及從事跑步機中強度與高強度運 動後和運動休息 30 分鐘後之 RR 波間隔資料。(二
二
二
二)資料處理
資料處理
資料處理
資料處理
(a)本實驗中各項數值都以平均數正負標準差來表示。(Mean±SD) (b)本實驗利用 Excel 做紀錄及資料統計計算。第四章
第四章
第四章
第四章、
、
、
、結果討論
結果討論
結果討論
結果討論
4.1、
、
、
、測試者基本資料
測試者基本資料
測試者基本資料
測試者基本資料
本實驗階段中測試者基本資料如表 4-1 所示。 表 4.1 受測者基本資料 組別 變數 中強度 n=5 高強度 n=5 年齡(歲) 25.2±0.83 24±1.41 身高(公分) 170.4±2.70 169±2.34 體重(公斤) 64.8±11.26 67.8±10.94 註 1:所有數值(表 4.1~表 4.9)皆以 Mean ± SD 的方式表示。 註 2:表 4.1~表 4.9 為所有受測者的平均值，而受測者詳細資料於附錄 四及五表示。4.2、
、
、
、運動前到運動休息
運動前到運動休息
運動前到運動休息
運動前到運動休息 30min 後血壓之比較
後血壓之比較
後血壓之比較
後血壓之比較
(1)收縮壓
收縮壓
收縮壓
收縮壓
表 4.2 是中強度組與高強度組運動前(t1)到運動後休息 30min(t3) 的血壓(收縮壓)變化，由此表可看出中強度組與高強度組在運動後(t2) 其血壓(收縮壓)都有上升的趨勢，而在運動後休息 30min(t3)中強度組 與高強組的血壓(收縮壓)皆有下降的趨勢。表 4.2 各組運動前、後及運動後休息 30min 收縮壓(mmHg)之比較 運動時間 運動強度 運動前(t1) 運動後(t2) 運動後休息 30min(t3) 中強度運動 (50~69%HRmax) 119.2±7.46 127.4±9.93 116±7.61 高強度運動 (70~89%HRmax) 117±13.37 132.0±21.82 119±8.36
(2)舒張壓
舒張壓
舒張壓
舒張壓
表 4.3 是中強度組與高強度組運動前(t1)到運動後休息 30min(t3) 的血壓(舒張壓)變化，由此表可看出中強度組與高強度組在運動後(t2) 直至運動後休息 30min(t3)，其血壓(舒張壓)與表 4.2 趨勢相同，但變 異都不大。 表 4.3 各組運動前、後及運動後休息 30min 舒張壓(mmHg)之比較 運動時間 運動強度 運動前(t1) 運動後(t2) 運動後休息 30min(t3) 中強度運動 (50~69%HRmax) 73.4±2.07 73.8±2.04 72.2±1.64 高強度運動 (70~89%HRmax) 73.2±2.28 75.8±2.58 74.8±1.64 運動造成心搏率上升使得血液輸出量增加，射入主動脈的血量增 加使得收縮壓升高，運動後心搏率下降，但身體會自我調整使血壓維 持在運動時的狀態，以提供身體在恢復期間身體血液之需求。在 Giammario[3]等人的研究報告與附錄三的動力性運動至力竭時收縮壓與舒張壓的變化圖中皆指出，血壓可藉由運動強度而控制。而表 4.2 可看到中、高強度運動後(t2)的血壓(收縮壓)都比運動前(t1)的血壓 來得大，而運動後休息 30min(t3)血壓已慢慢的恢復到運動前(t1)的狀 態了，而表 4.3 中看到血壓中的舒張壓變異不大，此結果與附錄三中 舒張壓所呈現的結果相似，而造成此結果是因為舒張壓血液動力是來 自於管壁收縮，並非心臟所造成的。
4.3、
、
、
、安靜到運動後其心率變異度各項變數之比較
安靜到運動後其心率變異度各項變數之比較
安靜到運動後其心率變異度各項變數之比較
安靜到運動後其心率變異度各項變數之比較
4.3.1、
、
、
、心博率
心博率
心博率
心博率
表 4.4 是中強度組與高強度組運動前(t1)到運動後休息 30min(t3) 的心搏率的變化，由此表可看出中強度組與高強度組在運動後(t2)其 心搏率都有上升的趨勢，而在運動後休息 30min(t3)低強度組與中強組 的心搏率皆有下降的趨勢。 表 4.4 各組運動前、後及運動後休息 30min 心搏率(beats/min)之比較 運動時間 運動強度 運動前(t1) 運動後(t2) 運動後休息 30min(t3) 中強度運動 (50~69%HRmax) 68.2±9.31 74.2 ±13.08 68.60±7.14 高強度運動 (70~89%HRmax) 76.0±5.56 108.6±17.98 87.40±11.32 運動造成肌肉耗氧量上升，氧須藉由心臟所輸送的血液才能將氧 送至肌肉，因此，運動時心博率會比運動前來得高。表 4.4 為各組運
動前(t1)、後(t2)及運動後休息 30min(t3)之心搏率(beats/min)比較，中強 度與高強度運動後(t2)馬上測量，發現測得的心搏率雖然比運動前(t1) 來 得 高 ， 但 是 卻 遠 低 於 指 定 運 動 時 的 中 、 高 強 度 心 博 率 (50~69%HRmax 中強度、70~89%HRmax 高強度)，此現象反應出運動 後(t2)之心搏率會急劇下降，所以無法測得與運動強度相近的心搏 率，事實上許多研究亦有相同的結果。運動後休息 30min(t3)的兩組心 博率皆有下降，此結果反應出人體經過一段時間休息心搏率會逐漸恢 復，同時發現同樣的休息時間下中強度運動已恢復到運動前的水準， 而高強度雖有恢復的情形，但無法恢復到運動前的水準，因此得知心 搏率恢復所需的時間會受到運動強度影響。
4.3.2、
、
、
、R-R 波間期
波間期
波間期
波間期
表 4.5 是中強度組與高強度組運動前(t1)到運動後休息 30min(t3) 的 RR 波間期的變化，由此表可看出中強度組與高強度組在運動後(t2) 其 RR 波間期都有下降的趨勢，在運動後休息 30min(t3)低強度組的 RR 波間期會上升，而高強度組仍低於運動前(t1)但相較於運動後(t2) 已有上升的趨勢。 表 4.5 各組運動前、後及運動後休息 30min RR(ms)波間期之比較 運動時間 運動強度 運動前(t1) 運動後(t2) 運動後休息 30min(t3) 中強度運動 (50~69%HRmax) 879.9±101.79 845.98±122.17 905.1±127.64 高強度運動 (70~89%HRmax) 799.9±66.42 607.87±103.55 681.3±82.45 運動過後心跳次數頻繁、使得心跳跳動所需時間縮小，造成 RR 波間期下降。圖 4.1 中無法看出中強度運動對 RR 波間期的影響，須 藉由表 4.5 才能知道中強度運動對 RR 波間期的影響，在中強度運動 中發現運動後(t2)的 RR 波間期有下降，但沒有高強度運動下降得多， 因為運動強度不足所致。藉由圖 4.1、4.2 可知運動強度的增強會使得 心跳速度增快，因為高強度運動與中強度運動在相同的測量時間下， 高強度運動後所測量到的心跳跳動間期次數(RR 波間期)比運動前的 次數來得多，而中強度運動卻沒有如此大的變化，圖 4.2 中可看到運動後休息 30min(t3)高強度運動 RR 波間期的次數減少及 RR 波間隔秒 數上升，因此，可知運動後休息 30min(t3)心跳會恢復，但與表 4.5 相 比較可發現中強度運動已恢復到運動前(t1)的狀態而高強度運動卻還 沒有。 從高強度運動 RR 波間期比較圖中(圖 4.2)可發現經過高強度運動 後會造成心跳次數頻繁且規律造成 RR 波間期震盪縮小，運動後休息 30min(t3)可發現 RR 波間期震盪會逐漸的增大，而圖 4.1 中強度運動 的 RR 波間期，其三個時段的 RR 波間期震盪沒有明顯的改變，可能 是運動強度不足所致。
0 100 200 300 400 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 運動前(t1) 運動後(t2) 運動後休息30min(t3) R R 波 間 期 單 位 (s ) 5分鐘心跳次數 圖 4.1 中強度運動前(t1)、後(t2)及 運動後休息 30min(t3)之 RR 間期比較圖 0 100 200 300 400 500 600 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 運動前(t1) 運動後(t2) 運動後休息30min(t3) R R 波 間 期 (s ) 5分鐘心跳次數 圖 4.2 高強度運動前(t1)、後(t2)及 運動後休息 30min(t3)之 RR 間期比較圖
4.3.3、
、
、
、心率變異度
心率變異度
心率變異度
心率變異度
表 4.6 是中強度組與高強度組運動前(t1)到運動休息後 30min(t3) 的心率變異度的變化，由此表可看出中強度組與高強度組在運動後(t2) 其心率變異度都有下降的趨勢，在運動後休息 30min 中的低強度組其 心率變異度會上升，而高強度組仍低於運動前(t1)但相較於運動後已 有上升的趨勢。 表 4.6 各組運動前、後及運動後休息 30min 心率變異度之比較 運動時間 運動強度 運動前(t1) 運動後(t2) 運動後休息 30min(t3) 中強度運動 (50~69%HRmax) 55±16.88 44.4±11.26 53.2±8.20 高強度運動 (70~89%HRmax) 52.6±20.7 24.6±10.97 37±22.32 表 4.6 為各組運動前(t1)、後(t2)及運動後休息 30min(t3)心率變異 度之比較，表中發現運動完(t2)後心率變異度(HRV)會有下降趨勢，而 運動後休息 30min(t3)心率變異度(HRV)會有逐漸上升趨勢，依據結果 認為造成此現象是為運動時皮膚血管舒張，造成血流量增加使得心跳 加快且密集規律，所以使得心率變異度下降。運動休息 30min 後，中 強度運動之心率變異度已恢復到運動前(t1)的狀態，而高強度運動之 心率變異度雖有上升之現象，但還未恢復到運動前狀態。4.3.4、
、
、
、功
功
功
功率頻譜比較
率頻譜比較
率頻譜比較
率頻譜比較
圖 4.3 及圖 4.4 為中強度組與高強度組的運動前(t1)到運動後(t2) 的功率頻譜變化圖，圖 4.3 中顯示中強度運動組在運動前(t1)及運動後 (t2)其 LF(0.04~0.15Hz)、HF(0.15~0.4)並沒有很大的改變，而高強度運 動組在相同測量條件下其 LF(0.04~0.15Hz)、HF(0.15~0.4)功率都衰減 很多，由此可知運動強度會影響功率的變化，隨者運動強度增強功率 會逐漸的下降。許多研究也顯示相同的狀況，例如： Matthew N. Bartels…[4]等人，針對健康成年人做運動訓練得知運動過後的高頻及 低頻功率會比休息之前來得低，此實驗與本次實驗所得知的結果相 似。圖 4.5 運動後休息 30min(t3)發現中強度運動之功率頻譜變化如前 兩個時段(運動前(t1)、運動後(t2))變化不大，而圖 4.4 顯示的高強度運 動後休息 30min(t3)3功率頻譜的變化如運動後(t2)之功率大幅下降，但 是由圖 4.6 中還是可看出 LF 及 HF 有恢復的跡象，只是相對於運動 前(t1)的功率還是很小。
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020 0.022 0.024 0.026 運動前(t1) 運動後(t2) 運動後休息30min(t3) P S D ( s* s/ H z) 頻率 Hz 圖 4.3 中強度運動前(t1)、後(t2)及 運動後休息 30min(t3)之頻譜圖 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.000 0.001 0.002 0.003 運動前(t1) 運動後(t2) 運動後休息30min(t3) P S D ( s* s/ H z) 頻率 Hz 圖 4.4 高強度運動前(t1)、後(t2)及 運動後休息 30min(t3)之頻譜圖
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020 0.022 0.024 0.026 運動後(t2) 運動後休息30min(t3) P S D ( s* s/ H z) 頻率 Hz 圖 4.5 中強度運動後(t2)及 運動後休息 30min(t3)頻譜圖 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 運動後(t2) 運動後休息30min(t3) P S D ( s* s/ H z) 頻率 Hz 圖 4.6 高強度運動後(t2)及 運動後休息 30min(t3)頻譜圖
4.3.5、
、
、
、低頻
低頻
低頻
低頻(LF)、
、高頻
、
、
高頻
高頻
高頻(HF)、
、
、
、LF/HF 比值
比值
比值
比值
(1)低頻
低頻
低頻
低頻(LF)
表 4.7 是中強度組與高強度組運動前(t1)到運動後休息 30min(t3) 的交感神經活性指標的變化，由此表可看出中強度組與高強度組在運 動後(t2)其交感神經活性指標 LF%會有上升的趨勢，而在運動後休息 30min(t3)則有下降的趨勢。 表 4.7 各組運動前、後及運動後休息 30min LF(%)之比較 運動時間 運動強度 運動前(t1) 運動後(t2) 運動後休息 30min(t3) 中強度運動 (50~69%HRmax) 58.2±8.75 63.2±11.67 58.4±12.11 高強度運動 (70~89%HRmax) 50.8±12.33 71.8±9.28 52.4±16.02(2)高頻
高頻
高頻
高頻(HF)
表 4.8 是中強度組與高強度組運動前(t1)到運動後休息 30min(t3) 的副交感神經活性指標的變化，由此表可看出中強度組與高強度組在 運動後(t2)其副交感神經活性指標 HF%會有下降的趨勢，而運動後休 息 30min(t3)則有上升的趨勢。表 4.8 各組運動前、後及運動後休息 30min HF(%)之比較 運動時間 運動強度 運動前(t1) 運動後(t2) 運動後休息 30min(t3) 中強度運動 (50~69%HRmax) 41.8±8.75 36.8±11.67 41.6±12.11 高強度運動 (70~89%HRmax) 49.2±12.33 28.2±9.28 47.6±16.02
(3)LF/HF 比值
比值
比值
比值
表 4.9 是中強度組與高強度組運動前(t1)到運動後休息 30min 的 LF/HF 比值的變化，由此表可看出中強度組與高強度組在運動後(t2) 其 LF/HF 會有上升的趨勢，而在運動休息後 30min(t3)則有下降的趨 勢。 表 4.9 各組運動前、後及運動後休息 30min LF/HF 之比較 運動時間 運動強度 運動前(t1) 運動後(t2) 運動後休息 30min(t3) 中強度運動 (50~69%HRmax) 1.47±0.48 1.93±0.92 1.59±0.86 高強度運動 (70~89%HRmax) 1.14±0.59 2.41±0.77 1.29±0.71 自主神經系統主要是由交感神經和副交感神經兩種神經組合而 成，交感神經作用主要與緊急狀況發生及能力釋放有關，當交感神經 活絡時心跳加快、血壓上升，而副交感神經的作用則與休息狀態及能 量儲存有關，當人體在安靜休息狀態下時，副交感神經會較活絡，使 心跳及血壓下降，且交感、副交感神經會因身體所需而自行調變藉以維持人體體內的平衡。圖 4.3 和 4.4 顯示功率會受到運動強度的影響 而改變，但無法藉由功率頻譜圖瞭解運動後(t2)及運動後休息 30min(t3) 受到自主神經系統中的交感還是副交感活性的影響，因此整理出表 4.7、4.8 及 4.9，表中顯示運動後(t2)自主神經系統的交感神經活動狀 態(LF/HF、LF%)有增強的現象，而副交感神經活動狀態(HF%)卻有 衰減的現象，運動後休息 30min(t3)會發現自主神經系統皆有恢復到運 動前(t1)的現象。藉由以上的表與圖可知運動強度的增強會使血壓、 心搏率(HR)及代表交感神經活動的 LF/HF 增強，使 RR 波間期、心率 變異度(HRV)、功率頻譜及表示副交感活動的 HF%減弱，此實驗也發 現運動強度的增強不會影響到血壓及自主神經系統恢復所需的時間。
第五章
第五章
第五章
第五章 結論
結論
結論
結論
5.1、結論
本研究探討在不同運動強度下之運動前、運動後及運動後休息 30min 心跳率與自律神經之變化，得到以下結論： (一) 運動強度影響心跳及 HRV 的恢復速度。 高強度運動(70~89%HRmax)後休息 30 分鐘，心跳及 HRV 還未 恢復到運動前狀態，而中強度運動(50~69%HRmax)已恢復，此 結果顯示運動強度會影響心跳及 HRV 的恢復速度。在不同運動 強度相同休息時間下，血壓及自律神經系統皆以恢復到運動前 狀態，此結果表示血壓及自律神經系統的恢復時間不受到運動 強度的影響。自律神經系統會自行判斷人體當時狀態而做調 整，當人體休息不在運動時，副交感神經會開始活絡抑制心跳， 所以才會顯示出自律神經系統比心跳及 HRV 恢復還快的結 果。雖然自律神經系統會自行判斷人體狀態而做調整，但是還 是建議以高強度運動為主的運動員與年輕人，須注意高強度運 動 對人體 的影響 較大，因此 ，在休 息上應花更 多的時 間。 (二) 研究中發現當運動強度愈高，交感神經就愈活絡，而心臟負荷 就愈大，所以長期處於激烈運動的運動員，例如：籃球員、徑 賽、足球…等選手，應隨時注意身體且運動時發現身體不適時，應立即休息就醫，以減少心律不整及猝死現象的產生。
(三) 本實驗受測皆屬同年齡層青少年，如能擴大用不同年齡層及不 同背景的受測者，將可增加資料的可靠性及推論正確性。
參考文獻
參考文獻
參考文獻
參考文獻
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[25] Salivahanan, A Vallaaraj, C Gnanapriya 原著(2002)：數位訊號處
理。美商麥格羅‧希爾國際股份有限公司 台灣分公司。
附錄一
附錄一
附錄一
附錄一、
、
、受測者相關問卷調查表
、
受測者相關問卷調查表
受測者相關問卷調查表
受測者相關問卷調查表
受試者相關問卷調查表
受試者相關問卷調查表
受試者相關問卷調查表
受試者相關問卷調查表
姓名：_____________ 出生年月日：_____年_____月_____日 性別：________ 身高：________公分 體重：________公斤 電話：__________________ 實驗前注意事項： 1、 前一晚睡眠需充足。 2、 實驗前不可飲食刺激性的物品 如：咖啡、辣椒等或者是會引響 心率等食品。 3、 實驗前請酌量飲食，不要有飢餓感，也不要吃太飽。 4、 實驗前勿做激烈運動。 5、 實驗者須在實驗室休息 20 分鐘。 6、 實驗中若有不適，請告知實驗者。 下列問題有關個人病史，請務必回答。 (1) 是否有心臟相關疾病？ 是 □ 哪些疾病______________________ ， 否 □ 。 (2) 你目前是否有得到任何疾病？ 是 □ 哪些疾病______________________ ， 否 □ 。 謝謝您的合作謝謝您的合作謝謝您的合作謝謝您的合作附錄二
附錄二
附錄二
附錄二、
、
、ANS Watch 新型腕式生理監視器
、
新型腕式生理監視器
新型腕式生理監視器(一
新型腕式生理監視器
一
一
一)
(一)
儀器新型腕式生理監視器--心律大師(ANSWatch®)
(二)
測試須知及儀器操作
1.
將
心律大師(ANSWatch®)裝置在左手手腕上。2.
按 Power 將機器(心律大師)開啟並將傳輸線與電腦
相連結。
3.
開啟 ANS Watch 管理程式點選測試中配戴測試。4.
電腦會顯示出波形藉由波形來判斷訊號強弱，藉以瞭解心 律大師(ANSWatch®)裝置上的生物感測器是否準確的在 左手手腕脈博之上(圖一)。5.
上述 4 個步驟完成後即可做實驗。
6.
按機器上(心律大師)的 BP+HRV 鍵後即開始記錄生
理訊號(總共費時 7 分鐘包含血壓及脈波)。
7.
記錄生理訊號之時須保持安靜及仰臥。
8.
生理訊號記錄結束之後再與
電腦連線將生理訊號存入 ANS Watch 管理程式(圖二)。9.
並建構測試者資料。附錄二
附錄二
附錄二
附錄二、
、
、ANS Watch 管理程式
、
管理程式
管理程式(二
管理程式
二
二
二)
(1). ANS Watch 測試：配戴完心律大師 ANS Watch 後，選擇配戴測
試會顯示數據，藉由輸出數據判斷為最佳配戴位置。
(2).生理參數下載：可選擇快速或完整下載(快速下載(5 秒鐘波形)、
完整下載(完整 5 分鐘資料))。
圖二、生理參數載入視窗
(3).下載後生理參數數據視窗：可選擇要顯示參數及受測者資料。
(3).案例
a.心律大師 5-sec 脈象圖之波形
圖四、心律大師 5-sec 脈象圖波形視窗
b. 心律大師 5-min 脈波圖之波形
附錄三
附錄三
附錄三
附錄三、
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、
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動力性運動至力竭時收縮壓與舒張壓的變化動力性運動至力竭時收縮壓與舒張壓的變化動力性運動至力竭時收縮壓與舒張壓的變化動力性運動至力竭時收縮壓與舒張壓的變化 圖六、動力性運動至力竭時收縮壓與舒張壓的變化 資料來源：運動生理學[26]附錄
附錄
附錄
附錄四
四
四、
四
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、
受測者生理參數受測者生理參數(一受測者生理參數受測者生理參數 一一) 一 a. 運動前(t1)、後(t2)及運動後休息 30min(t3)之頻譜圖 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 運動前(t1) 運動後(t2) 運動後休息30min(t3) P S D ( s* s/ H z) 頻率 Hz 圖七、中強度運動前(t1)、後(t2)及 運動後休息 30min(t3)之頻譜圖 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 運動前(t1) 運動後(t2) 運動後休息30min(t3) P S D ( s* s/ H z) 頻率 Hz 圖八、高強度運動前(t1)、後(t2)及 運動後休息 30min(t3)之頻譜圖b. 運動前(t1)、後(t2)及運動後休息 30min(t3)之 RR 間期比較圖 0 100 200 300 400 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 運動前(t1) 運動後(t2) 運動後休息30min(t3) R R 波 間 期 單 位 (s ) 5分鐘心跳次數 圖九、中強度運動前(t1)、後(t2)及 運動後休息 30min(t3)之 RR 間期比較圖 0 100 200 300 400 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 運動前(t1) 運動後(t2) 運動後休息30min(t3) R R 波 間 期 單 位 (s ) 5分鐘心跳次數 圖十、高強度運動前(t1)、後(t2)及 運動後休息 30min(t3)之 RR 間期比較圖
