游泳长距离项目专项训练生理生化监控方法研究成果

运动训练的生理生化监控是指综合运用生理生化分析的手段有效地指导运动训练,应用综合指标和监控方法控制训练过程和评估训练效果,其目的是及时评估运动员的专项能力和专项成绩的变化,及时向教练员反馈结果,不断调整训练计划,使运动员达到竞技状态的极限,从而追求训练效果和专项能力的最大化[6],全面有效的运动训练监控将为运动员机能状态的准确诊断、体能恢复方案的制定及训练效果的分析等提供有效的帮助。运动训练生理生化监控是一个非常庞大的系统工程,主要涵盖内容有:①如实记录日常训练过程,包括所采用的训练方法和手段、训练负荷强度、训练负荷量、训练间歇及训练周期的安排;②获取实际训练效果的反馈;③评估训练计划的设计是否与运动员目前的机能状态相适应:剖析训练计划必须重视每一堂训练课、小周期、中周期和大周期,对于恢复性训练的评估也必不可少,它是合理安排训练间歇的重要依据之一,也能为疲劳的诊断提供有效信息;④评估运动员对训练负荷的适应性变化:在专项训练过程中,必须及时评估运动员的一般能力和专项能力的变化,可以通过这些信息预测运动员的最佳运动状态出现的时间,同时也应该警惕,因为最佳运动状态的出现也意味着运动员的机能状态最大限度地被动员,会到达有效训练和过度训练的临界点,此时运动训练监控的重点是及时进行运动员机能状态的评估,早期诊断运动性疲劳。

运动员经过系统的专项训练后,训练负荷会对机体的器官和系统造成较深刺激,如果两者形成良好的适应性,则会导致运动员专项能力提高,神经体液调节系统的功能得到改善,身体机能良好,竞技运动状态会在更高层次形成和得到巩固。运动负荷(物理负荷)与运动员的生理反应(生理负荷)两者联系紧密,互相影响,训练负荷监控的主要目的是通过生理生化手段将物理负荷导致的生理负荷进行量化和评估。为了获取和挖掘运动员的最大专项能力,训练负荷的安排要能够对机体造成足够深的刺激,但又不能超过机体的承受阈值,这使得教练员有必要准确掌握运动员对训练负荷适应情况的信息。由于运动员承受运动负荷的能力常处于动态变化的过程中,相同的运动负荷可能会造成不同的生理负荷,因此,用生理负荷来评价训练负荷能够减少运动员机能状态波动带来的影响,及时发现运动员因机能水平变化而出现的调整训练负荷需求,使教练员制定训练计划更具针对性和个性化。如果能及时获取运动员机能状况和运动能力变化的反馈信息,就可以对训练计划的实施提供有效的指导和改进。当前体育科技飞速发展,科研人员已参与到运动训练的全过程,对优秀运动员进行重点的科学监控,能够判断运动员的哪些机能变化可以引领他进入一流运动员的行列,也能够获取丰富的信息对运动员适应性变化和训练效果进行监控。只有当训练负荷强度和训练负荷量最大限度地与运动员承受训练负荷的能力相适应时,训练刺激才会产生效果。一边是训练负荷低于有效刺激阈值,一边是过度训练,两者之间仅一步之遥,在这段狭窄的范围内,如何寻找临界点,直接关系到训练的成败,稍有不慎就会对运动员造成不可挽回的伤害。因此,科学、实时和全程进行训练负荷的监控显得尤为重要,科研的指导与保证已成为高水平运动员的训练不可分割的一部分。

1.2.2.1　专项训练负荷强度监控指标

1.一次/一组动作专项训练负荷强度监控指标

(1)心率(HeartRate,HR)

HR是运动医学领域应用最为便捷的生理指标之一,可以客观、便捷地评估训练负荷强度,已经被广泛应用于运动训练监控。此外,该指标对于监控运动员专项能力变化以及过度训练等均有一定的参考价值。心率研究指标包括安静心率、次最大强度心率、最大强度心率、运动后心率恢复速率及心率变异性等。经过系统训练后,机体进行次最大强度运动后的心率恢复速率可以得到提高,但是优秀耐力运动员是否也会产生此类适应性变化尚不清楚。Lambert等[7]研究了14名优秀自行车运动员进行8周高强度训练后心率恢复速率的变化,研究对象分别于训练前和训练结束后进行VO2max和40km比赛测试,同时记录运动后心率恢复速率。研究结果发现经过大强度训练后,最大功率输出提高47%,40km比赛测试平均功率提高6.2%,运动后心率恢复速率也得到显著改善。研究结论认为运动后心率恢复速率可以作为监测优秀耐力运动员训练适应性变化的一项敏感指标,应用于运动训练监控领域的前景非常广阔。

安静心率也可应用于监控过度训练,健康成年人安静心率的范围约为60～85次/分,经过系统训练后,优秀运动员的安静心率有下降的趋势,波动范围约为45～60次/分,个别优秀耐力运动员的安静心率低于30次/分,原因是迷走神经兴奋性增高,心肌收缩力增强,每搏输出量增加,心肌耗氧量降低,心力储备良好,心脏处于良好的能量节省化状态。最早有文献报告的过度训练症状之一便是安静心率加快。早在1957年,Wolf[8]就发现在48名出现明显过度训练症状的运动员中,有47名存在安静状态下心动过速。但也有学者指出,虽然过度训练时安静心率增加的症状发生率较高,但并不具备特异性,相比较长期运动疲劳而言,安静心率增加对于提示短期运动疲劳更为敏感。

(2)血乳酸(BloodLactateAcid,BLa)

血乳酸在供能体系中占有重要位置,由糖酵解途径生成的丙酮酸转变而来,是糖酵解供能系统的重要产物。多数学者认为在激烈运动时,导致血乳酸生成量增加的原因是局部性缺血引起暂时供氧不足或氧利用率不高,骨骼肌运动时,在氧供应不足的前提下,肌肉中的糖原通过糖酵解分解为血乳酸,同时释放ATP维持肌肉运动的需要,缺氧是导致肌糖原分解成血乳酸和能量的主要原因之一,但却不是必要因素。有学者提出不同意见,认为骨骼肌即使在不缺氧的状态下,也会产生血乳酸,骨骼肌在中、高度强度收缩时有氧氧化所生成的ATP速率远不能满足需要,机体势必会启动生成ATP速率更高的糖原酵解途径进行供能,从而导致血乳酸生成量增加,在运动开始的数分钟内,血乳酸的产生与骨骼肌内氧含量变化关联不大,递增负荷运动时,血乳酸生成量增加是导致骨骼肌疲劳的原因之一。

及时测试运动员在比赛和训练过程中的血乳酸变化,可以掌控和调节比赛训练的负荷强度,预测专项能力和专项成绩的变化,评估阶段训练水平的变化,为教练员提供数据和资料,及时调整和修改训练计划。近年来,我国游泳项目的成绩突飞猛进,许多运动员在世界泳坛崭露头角,其成功经验之一就是将血乳酸引入日常专项训练,作为评价训练负荷强度的客观指标之一进行应用。随着血乳酸测试方法的不断改进,特别是乳酸分析仪的普及,血乳酸在运动中的应用越来越广泛。正常人安静时血乳酸值约为1～2mmol/L,运动员安静时的血乳酸水平也大多维持在这一范围之内。但是,由于赛前紧张导致机体儿茶酚胺类物质分泌增多,使糖酵解过程增强,运动员在赛前或者大运动量训练期,血乳酸的安静值要比平常训练时稍高,如摔跤运动员在比赛期开始时,清晨安静血乳酸值为1mmol/L,在赛期中的赛前安静时可升至2.96mmol/L。有研究表明,大运动量训练后或比赛后,运动员的机能下降,机体清除乳酸的能力下降,也会导致运动员血乳酸的安静值明显比平时的安静值高。姚俊等[9]通过对广东省游泳队20名运动员训练过程的监控,研究最大强度负荷下负荷距离和负荷性质变化对游泳运动员负荷后机能状态的影响。研究发现,机体进行最大强度负荷运动后,心率与负荷强度之间变化并不一致,其反映负荷强度的灵敏度较低,而血乳酸指标与负荷强度的变化规律相同,能较灵敏地反映游泳运动员机体所承受的不同负荷强度的变化。

2.重点课专项训练负荷强度监控指标

重点课专项训练负荷强度监控除了结合血乳酸、心率等指标外,血清肌酸激酶(CreatineKinase,CK)也是较为敏感的指标,可以通过检测重点训练课后及次日晨血清肌酸激酶的浓度变化及恢复速率,评估训练负荷强度的大小和机体对训练负荷强度的应激状态。

CK在代谢过程中催化肌酸和ATP或磷酸肌酸和ADP之间的转化,在细胞质中CK存在三种同工酶,分别是肌酸激酶脑型、肌酸激酶肌型和肌酸激酶线粒体型。肌型大部分存在于骨骼肌和心肌内,心肌内除肌型外,还存在脑型,肌酸激酶线粒体型存在于非肌性组织中,如脑、红细胞、前列腺等[10],总CK水平受性别、年龄、种族、身体活动水平、肌肉质量和气候条件等多种因素的影响。

运动中或运动后血清CK的水平受诸多因素影响,有文献报道运动后血清CK的最高值出现在超长距离马拉松或铁人三项运动项目,离心肌肉收缩运动如下山跑也会导致血清CK出现明显增高[11]。规律训练可导致血清CK持续增高,因此运动员安静水平血清CK值高于普通人群,但进行相同运动负荷强度运动后,普通人群血清CK值明显高于运动员,后者血清CK增加幅度明显低于前者。

监测运动员安静及运动后血清CK的变化是监控运动训练过程的重要工具之一[12]。与普通人群比较,运动员安静血清CK较低,原因可能是骨骼肌对运动训练产生适应性变化,运动后血清CK的浓度取决于训练水平的高低,即使运动员感觉肌肉比普通人群更为酸痛,但血清CK的峰值仍然较低。有文献报道称,在马拉松项目中运动员会出现极高血清CK,在冬天进行此项运动时血清CK浓度更高[13]。运动员使用雄激素类固醇或肌酸会增加骨骼肌损伤的危险性[14]。安静血清CK值增加伴随运动能力下降,需要警惕是否存在过度训练,但是血清CK水平的变化不能用于评估肌肉的恢复能力,两者之间没有相关性。此外,血清CK值表现出极大的变异性,个体差异大,存在高反应者和低反应者两种类型,不能单纯以血清CK值的变化幅度来诊断运动性疲劳,必须结合专项能力变化进行综合评估,训练水平、肌肉的大小、肌纤维类型和血清CK值之间的关系仍需进行纵深研究。

1.2.2.2　专项训练负荷量监控指标

训练负荷量是指在持续、连贯身体活动时,运动员机体在承受一定外部刺激总量后,所表现出的内部负荷的程度。负荷量和负荷强度是运动负荷中相互联系、不可分割的两个方面。在运动训练中,负荷量大则负荷强度不可能很大,而负荷强度大负荷量也不可能大。通过负荷量和负荷强度调节与变动,便可达到不同的训练目的。如在超过运动负荷阈的前提下,负荷强度小或中等,负荷量较大的运动负荷主要可发展耐力素质;负荷强度大,负荷量小的运动负荷主要可发展力量和速度素质。另外必须注意,不管是进行哪个项目的运动训练,负荷量均必须是适宜的。如果太小,效果不佳或没有效果;负荷量太大,则易产生运动性疲劳或损害身体健康。因此,科学评定训练负荷量十分必要。

1.训练小周期监控指标

(1)血红蛋白(Haemoglobin,Hb)

血红蛋白(Hb)是红细胞中一种含铁的蛋白质,是氧运输过程中的核心物质,其重要功能是能与氧结合(携带O2),担负着运动中机体组织特别是肌肉组织氧的供应。通常,运动员在大运动量训练开始时,易出现Hb下降,系统的专项运动训练会导致血液的有些成分发生变化,正常情况下Hb的变化与红细胞的变化趋势一致,运动中凡能影响红细胞的因素都能影响Hb。在运动实践中,运动训练引起的运动员Hb逐步出现下降趋势,但未达到贫血诊断标准的现象十分普遍,直接后果就是导致红细胞携氧能力下降,机体有氧及无氧代谢能力也随之下降,从而最终导致运动员的专项能力也出现下降。

Hb指标的遗传度较高,后天营养状况及运动训练等影响因素都是作用在遗传因素的限制范围之内,虽然如此,Hb的变化趋势仍然与运动负荷的变化趋势大体一致。由于Hb指标较少受到外界因素的影响,又能较敏感地反映身体机能状态的变化,所以,在运动训练中常用于评定运动员机能状态、评估训练水平和预测运动成绩。运动员的Hb变化范围较大,个体差异明显,因此,运用Hb指标监控运动负荷量的变化时,为了更客观地评定训练效果,建议多对Hb指标进行纵向比较,采用Hb偏离机体基础值或均值的比例进行评定更加客观可行。大负荷训练周期,运动员的Hb值下降幅度在自身基础值的10%之内,运动能力良好,能较好地完成训练计划,调整训练节奏后,如果Hb指标可快速升高至训练前水平甚至超过训练前水平,表明运动员机能状况良好;如果Hb指标出现持续下降,幅度超过自身基础值10%～15%,调整训练负荷后不能恢复至训练水平,表明运动负荷与运动员的机能状态不相匹配;如果Hb指标下降幅度超过自身基础值的15%则表明运动负荷过大,超过机体承受范围,应及时调整运动负荷强度和运动负荷量,并适当采取强力营养恢复措施进行干预,以免出现运动性疲劳。李昌军等[15]对业余体校游泳运动员的Hb变化进行跟踪测试,结果发现,男子青少年游泳运动员的Hb平均值为135.4g/L,女子青少年游泳运动员的Hb平均值为131.4g/L,男女性别差异不大,Hb随着运动员训练负荷的变化而不断变化。他认为,通过定期的血红蛋白测试,可以了解运动员的机能状态、营养和疲劳状况,从而调节运动负荷。(www.xing528.com)

(2)血尿素(BloodUrea,BU)

蛋白质和氨基酸的分解终产物为尿素,膳食结构正常的健康成年人BU水平保持相对稳定,当机体的蛋白质和氨基酸分解代谢加强时,终产物尿素生成增多,从而导致BU浓度升高。安静状态下,BU的生成和排泄处于平衡状态,故保持相对恒定,其安静值为5～6mmol/L,国外报道外国运动员BU正常值为5.83mmol/L,我国运动员BU正常值为3.81mmol/L。运动员机体承受大运动负荷的刺激或大量摄入蛋白质,可使蛋白质分解代谢优于合成代谢,直接导致尿素生成增多。目前,中国运动员的膳食结构往往含有过多的蛋白质,因此,当运动员出现BU浓度偏高的时候,应首先排除是否是由于膳食结构不合理所致。应用BU指标对训练负荷量进行评定时,应该将运动前后BU绝对值的变化情况结合运动员的疲劳阈值进行综合评估,当机体运动后的BU浓度达到或超过8mmol/L或比运动前升高约2mmol/L,则可认为训练负荷量偏大,与运动员的机能状态不相适应。运用BU这一指标评定身体对训练的适应时,选用的课应是大运动量的课,在训练前、后及次日晨取血测BU浓度。在游泳训练中,BU是评定游泳运动员物质代谢与疲劳程度的重要指标,顾军等[16]通过对12～17岁的青少年游泳运动员赛前6个月BU的系统监测,探讨青少年游泳运动员BU变化的特点,结果发现,10岁以上的少年运动员安静时的BU略低于成年人,基础值为2.34±0.48mmol/L,周运动值平均为4.62±0.60mmol/L,周恢复值约为4.03±0.47mmol/L。顾军等认为BU恢复值较高不能准确表示疲劳,必须结合其他指标综合分析。

2.训练中周期监控指标

(1)睾酮(Testosterone,T)

T是一种类固醇荷尔蒙,由男性的睾丸或女性的卵巢分泌,血浆中的T约98%与白蛋白、性激素结合球蛋白呈结合状态,只有2%呈游离状态,其主要作用是促进机体合成代谢,在蛋白质及碳水化合物代谢过程中起重要调节作用,半数以上的血清睾酮通过肝脏清除,其余的则通过肝外代谢。血清T受多种因素影响,包括年龄、种族、训练水平、运动项目、采样时间及测试方法等,如果条件允许可检测游离T,此指标能灵敏反映运动负荷量的变化。关于运动对血清T影响的报道颇多,有证据表明单次最大或次最大强度的有氧或无氧运动通常会增加血清T水平,此变化在运动后几分钟内即可被监测到;持续中、高强度递增负荷运动(超过2小时)导致血清T先增加,继而下降,甚至低于安静值,此变化可持续较长时间。运动的密度、训练负荷强度、训练负荷量及持续时间等因素都可以引起血清T水平发生变化,而且运动后血清T水平恢复速度也受上述因素影响。此外,饮食、年龄、运动水平、个体差异等也会对血液T造成较大的影响。

(2)皮质醇(Cortisol,C)

C属于肾上腺糖皮质代谢类激素,其分泌能动员机体释放氨基酸(来自肌肉)、葡萄糖(来自肝脏)以及脂肪酸(来自脂肪组织),这些物质被输送到血液里充当能量使用,血清C的浓度在一定意义上反映运动员体内蛋白质分解情况和机体对运动负荷的反应程度。关于运动对血清C影响的研究有不少报道。Thomasson[17]研究发现,受试对象在以50%～55%VO2max的中等强度运动120min后,血清C出现上升趋势,其原因可能是由于分泌增加或清除率下降。运动时血清C浓度逐步上升,当运动强度超过60%VO2max,即可触发肾上腺糖皮质激素释放的阈强度,通过神经系统的反馈作用,导致机体产生应激,大量释放血清C,以维持紧急代谢的需要,但此阈强度并非是固定的,还取决于运动持续时间和个体间的差异。单次和一日大负荷量训练可以导致青少年运动员的血清T值和游离T值出现下降,C升高[18],C可灵敏地反映运动负荷量的变化情况。

(3)睾酮/皮质醇比值(Testosterone/CortisolRatio,T/C)

T/C可用于评估机体合成代谢/分解代谢是否平衡,持续激烈运动可导致T/C下降。Graham等[19]对男性赛艇运动员大强度训练和恢复性训练阶段的激素变化特点进行了研究,8名受试对象进行3天大强度运动训练,每天训练前和训练后进行2000m赛艇测功仪测试,分别抽取血液样本;之后再进行3天恢复性训练,分别于每天清晨、下午进行6min次最大强度运动,并在运动前(PRE)、运动后即刻(POST)和运动后10min(P10)抽取血液样本,观察大强度训练期、恢复期T、C和T/C的变化特点以及昼夜变化对它们的影响。研究结果显示,在大强度训练阶段,受试对象的赛艇测功仪平均功率由382.0±9.4W下降至370.6±10.2W;在恢复性训练阶段,平均功率由370.6±10.2W上升至385.0±8.8W;大强度训练前和恢复性训练后的平均功率无差异。T在受试对象进行6min次最大强度运动时升高,运动后10min下降至运动前静止值之下,在恢复性训练阶段,T的变化具有昼夜特点,以清晨值较高;C在测试前升高,恢复性训练阶段清晨T/C比下午稍低。研究结论认为大强度训练期及恢复性训练期血清T、C和T/C会出现明显变化,如应用此类指标来评估运动训练及恢复性训练效果,应考虑昼夜变化的影响,否则会导致结果出现偏差。

(4)血清铁蛋白(SerumFerritin,SF)

铁是合成血红蛋白必需的原料,成人每毫升红细胞需要1mg铁用于红细胞生成。机体对运动的不适应不仅可能导致铁的丢失,还可能导致铁转运障碍,铁在储铁组织(肝脏、肌肉)蓄积过多,而在耗铁组织(骨髓)又相对缺乏。

SF是体内铁储备的主要形式之一,也是反映体内铁平衡状态中最敏感而可靠的指标,其含量与机体铁储备呈线性关系,正常SF为50～200μg/L,目前认为当SF为10～12μg/L时铁质耗竭,而少于28μg/L时为潜伏性铁缺乏,医学上将机体Hb值处于正常范围,但同时伴有血清铁蛋白含量下降的状态诊断为“潜在性铁储备不足”,大运动量训练能显著降低机体的SF水平。优秀耐力运动员的SF和血清铁含量明显低于普通人群,说明运动训练可导致机体的铁储备出现下降,可能原因是组织细胞利用铁增加和体内铁的排泄量增加。大强度运动训练后,肌纤维容易出现微细损伤,从而导致炎性反应,导致SF出现暂时升高,近期感染、肝功能异常、肝炎和酗酒均能导致SF出现异常升高,因此,应用SF评价机体的铁储备状况时要排除以上情况,避免出现较大偏差[20]。长期的运动训练可以增强铁代谢,铁的储备量表现出明显减少的趋势,会导致SF水平下降,而通过膳食营养的合理补充、运动负荷的适当调整和积极休息等手段,可以有效防止或改善由运动训练导致的SF水平下降和运动性贫血的发生。

1.2.2.3　阶段训练效果监控指标

1.最大摄氧量(MaximalOxygenUptake,VO2max)

VO2max是指人体在进行有大肌肉群参加的长时间剧烈运动中,当心肺功能和肌肉利用氧的能力达到本人的极限水平量,单位时间内(通常以1分钟为单位)所能摄取的氧量,是评定机体有氧代谢能力的最有效的指标之一,也是评价游泳长距离项目专项能力的重要指标。VO2max的限制因素包括氧运输系统和骨骼肌氧利用系统,表示方法有绝对值和相对值两种。绝对值是指机体在单位时间内所能吸的最大氧量,通常以L/min为单位,对于赛艇、自行车等运动项目意义较大。相对值则按每千克体重计算,以mL/(kg·min)为单位,对于中长跑、游泳长距离项目意义较大。因此,在用VO2max评价有氧训练的效果时,不同的运动项目偏重的评价指标也不同。

通气阈(VentilatoryThreshold,VT)被广泛应用于评估运动训练强度,利用气体代谢方法所测定的通气阈运动训练强度阈值与乳酸阈(LactateThreshold,LT)是否可以通用,一直存在争议。Johnson等[21]研究了游泳运动员LT和VT的关系,15名游泳运动员完成递增负荷运动方案,测定VO2;完成6×200m游泳递增负荷运动方案,利用乳酸—速度曲线测定LT;全程记录心率,同时记录每200m的速度和功率输出。研究结果发现,心率变化与LT、VT之间没有相关性,LT速度与无氧阈速度相关性较小,但LT功率与无氧阈功率显著相关。研究结论认为,游泳项目的LT和VT所测定的运动训练强度具有特异性,不能互相通用,但是LT和VT之间存在高度相关性,今后可以对利用生理阈值指标监控游泳训练强度进行纵深研究。

2.无氧阈(AnaerobicThreshold,AT)

在进行递增负荷强度运动时,机体由有氧代谢供能开始向无氧代谢供能转变的临界耗氧量或功率水平称为AT,通常以血乳酸浓度达到4mmol/L时所对应的强度、心率和通气量来表示。与最大摄氧量很大程度受遗传因素决定不同,AT更多受运动训练水平影响,是评价运动员有氧能力变化的最佳指标之一,AT速度对耐力性运动项目的专项成绩起决定性作用。

游泳项目评定AT常采用的方法是血乳酸多点测试法,即递增负荷测试法。这是目前游泳界公认的、比较准确的测试方法。此法是运动员多次游100m或200m的距离,逐步递增运动强度,并根据运动员的血乳酸值绘制乳酸—速度曲线图,然后确定血乳酸4mmol/L所对应的游速。在游泳专项训练过程中,可阶段性测试运动员的乳酸—速度曲线变化,评估有氧代谢能力及无氧代谢能力有无变化及变化的方向与程度,以便及时调整训练计划。相同运动负荷前提下,运动员前后乳酸—速度曲线出现右移,说明肌肉清除乳酸能力增强,游速提高,运动员有氧能力提高,训练效果良好;曲线出现左移,说明机体完成相同的运动负荷,血乳酸水平升高,游速下降,代表机体有氧能力下降,训练效果不佳;曲线前后没有明显变化,说明运动员有氧能力没有明显提高或下降,训练效果一般;最后冲刺游阶段的血乳酸峰值增高,表明无氧代谢能力强,耐乳酸能力强,训练水平高。运动员经过一个阶段的训练之后,在正常理想的情况下,乳酸—速度曲线应该右移,其运动成绩有所提高,此时将此运动员的曲线延伸到以往的最高血乳酸处,其所对应的速度即为最大速度能力,也就是此运动员可以达到的最好运动成绩,但此方法只可作粗略推算。