從東京奧運談心率變異生理回饋

2020東京奧運,首次將射箭選手在放箭之前的平均心跳,顯示在螢光幕的左下方,讓遠端的觀眾也能感受現場緊張的氣氛。…
照片來源: 國際射箭總會
文章作者:  蔡麗雲博士

不少研究發現,有經驗的射箭選手相較於新手,擁有更高的副交感神經活性。這個現象被認為,能讓射箭選手在執行比賽前幾秒鐘快速降低心跳,提高射箭準確度 [1-5]。今天我們要來介紹一種能提升副交感神經活性的訓練叫「心率變異生理回饋」,它是一種透過儀器來學習呼吸技巧的訓練方法,除了能幫助我們提升副交感神經活性以外,還能改善壓力症候群、舒緩緊張情緒、改善失眠。目前也被廣泛應用在協助運動選手降低比賽競爭壓力[6]。

什麼是心率變異生理回饋訓練?
心率變異生理回饋 (Heart rate variability biofeedback,HRV BF) 訓練是一項在1980年代末和1990年代初開發的技術 [7],為一種心理生理訓練技術,藉由緩慢而規律的腹式呼吸,逐漸讓呼吸速率達到大約每分鐘6次 ,可調控自律神經活性,提升心率變異,進而達到調控情緒與放鬆的效果。心率變異生理回饋的訓練方式大致包含: 尋找共振呼吸頻率、學習腹式與噘嘴呼吸、讓呼吸心跳達到共振狀態。

為何呼吸頻率達到大約每分鐘6次,就會引起呼吸、心跳、血壓共振?
目前提出的模型認為是因為: 人類的延腦、心跳控制系統、血壓控制系統、感壓接受器之間的訊息傳遞是一個封閉的迴路,這個封閉迴路的訊息傳遞一圈大約是10秒左右,所以當呼吸週期接近10秒,便會引起這四個系統進行共振。這種放慢呼吸,造成共振的現象,有一個學術名詞,稱為: 呼吸竇性心律不整,簡稱RSA (respiratory sinus arrhythmia,RSA)。

大多數健康成人,呼吸速率降到大約每分鐘六次呼吸(即0.1 Hz),可以達到最大共振,即RSA最大化。這個讓RSA最大化的呼吸頻率稱為共振頻率 ,Resonance frequency [8]。最大化RSA可以提高肺泡的氣體交換 [9],同時,每次的呼吸週期也刺激血壓波動,血壓波動與呼吸呈現相反相位;心跳與呼吸呈現同相位,因此,心率變異生理回饋訓練,又稱心肺同步呼吸訓練 (cardiorespiratory synchronization training, CRST) [10]。


此外,也有學者提出以下兩種模型 (1) 多重迷走神經理論 (Polyvagal theory),這是Stephen Porges博士根據達爾文的演化理論所提出的 [11],自律神經系統的演化決定了人類情緒表達形式、社會交流和行為狀態。 (2) 神經內臟整合模型 (the neurovisceral integration model) ,由 Thayer與Lane在2000年提出,為多重迷走神經理論的延伸,是描述一個中央自主神經網路 (a central autonomic network,CAN) 的功能 。HRV BF增加迷走神經的活性,迷走神經與前扣帶皮層 (anterior cingulate cortex,ACC) 相連,而前扣帶皮層與許多動作協調有關 [12]。此外,CAN的輸入和輸出都直接參與認知、情緒處理等較高層次的中樞活動 [13]。

心率變異生理回饋訓練已經被廣泛的應用到臨床,例如高血壓、創傷後壓力症候群、焦慮症 [14]、改善冠狀動脈心臟病患者的表達敵意與壓抑敵意[15]、鬱症患者的憂鬱情緒與睡眠品質[16]、海洛因使用者的憂鬱情緒[17]。在運動員的應用上,心率變異生理回饋訓練能增強心理生理變量,進而提高運動員的表現。在高強度比賽或是運動之後,使用心率變異生理回饋訓練來減少恢復期所需的時間,為下一輪比賽提供更好的身心狀態[18]。

簡易型心率變異生理回饋裝置
心率變異生理回饋訓練的成效,需要一段時間不間斷的練習,因此居家練習很重要[19],傳統的裝置因為昂貴、設備占空間、與操作耗時,導致個案很難在家使用。如今智慧型手機普及,使得在家練習變得很容易。另外,專業人員也能夠使用簡易型來提高成本效益、測量的簡便性,進而增加應用場域。

簡易型心率變異生理回饋裝置,常見的測量方式為光體積掃描圖 (photoplethysmography,PPG) 。PPG是使用脈搏換算心跳的時間間隔 (Interbeat interval, IBI) [20]。目前市面上每一款裝置的使用介面有些許不同,但是原理都是藉由IBI數據的取得,再經過數學計算、快速傅立葉轉換,最終以心率變異的參數例如低頻 (Low frequency,LF,反映感壓接受器活性[21]) 、心率曲線 (將RSA最大化) 作為回饋。
例如已經停產的StressEraser (美國) 即是藉由心率曲線的振幅閾值設定 (類似舒壓儀的難度設定),使用者吸氣讓心率往上,接著吐氣直到心率曲線再次開始升高,如果心率曲線的波峰有達到閾值,則裝置會給予使用者點數回饋 [22]。目前 InnerBalance (HearMath公司,美國)、eVu TPS Package (ThoughtTech,加拿大) 以及 eureka舒壓儀 (明遠生活科技,台灣) 則都是與智慧型手機結合,除了提供LF%、心率曲線以外,還有同步指數、彩色蜂蜜罐等等卡通圖案使得回饋的方式變得多元且豐富。

參考文獻
1.  邱金龍, 不同等級射箭選手心率變異性之差異, in 體育學系. 2008, 國立新竹教育大學: 台灣.
2.  Filipe et al., Study of the Heart Rate and Accuracy Performance of Archers. Journal of Physical Education and Sport, 2011.
3.  詹世歆, 運動員情緒與焦慮對穩定性與成績 關係之研究-以我國射擊選手為例-, in 體育學系. 2019, 天主教輔仁大學: 台灣.
4.  Fatin et al., Determination of psychological correlates of peak performance in developmental archers. Journal of Physical Education and Sport, 2020.
5.  林淇堃 等人, 心跳率對射箭運動的影響. 國立台中教育大學 體育學系學刊, 2017.
6.  Jimenez et al., Effect of Heart Rate Variability Biofeedback on Sport Performance, a Systematic Review. Appl Psychophysiol Biofeedback, 2017.
7.  Lehrer, P., et al., Heart Rate Variability Biofeedback Improves Emotional and Physical Health and Performance: A Systematic Review and Meta Analysis. Appl Psychophysiol Biofeedback, 2020.
8.  Shaffer, F. and Z.M. Meehan, A Practical Guide to Resonance Frequency Assessment for Heart Rate Variability Biofeedback. Front Neurosci, 2020.
9.  Hayano et al., Respiratory Sinus Arrhythmia: A Phenomenon Improving Pulmonary Gas Exchange and Circulatory Efficiency. Circulation, 1996.
10. Lin, I.M., Effects of a cardiorespiratory synchronization training mobile application on heart rate variability and electroencephalography in healthy adults. Int J Psychophysiol, 2018.
11.  Porges, S.W., The Polyvagal Perspective. Biol Psychol., 2007.
12.  Muckschel etal., Psychophysiological mechanisms of interindividual differences in goal activation modes during action cascading. Cereb Cortex, 2014.
13.  Mather, M. and J. Thayer, How heart rate variability affects emotion regulation brain networks. Curr Opin Behav Sci, 2018.
14.  Gevirtz, R., The Promise of Heart Rate Variability Biofeedback: Evidence-Based Applications. Biofeedback, 2013.
15.  Lin et al., Randomized controlled trial of heart rate variability biofeedback in cardiac autonomic and hostility among patients with coronary artery disease. Behav Res Ther, 2015.
16.  Lin et al., Heart Rate Variability Biofeedback Increased Autonomic Activation and Improved Symptoms of Depression and Insomnia among Patients with Major Depression Disorder. Clin Psychopharmacol Neurosci, 2019.
17.  Lin et al., Heart Rate Variability and the Efficacy of Biofeedback in Heroin Users with Depressive Symptoms. Clin Psychopharmacol Neurosci, 2016.
18.  Perez-Gaido et al., Can HRV Biofeedback Improve Short-Term Effort Recovery? Implications for Intermittent Load Sports. Appl Psychophysiol Biofeedback, 2021.
19.  Lehrer et al., Protocol for Heart Rate Variability Biofeedback Training. Biofeedback, 2013.
20.  Dobbs et al., The Accuracy of Acquiring Heart Rate Variability from Portable Devices: A Systematic Review and Meta-Analysis. Sports Med, 2019.
21.  Rahman et al., Low frequency power of heart rate variability reflects baroreflex function, not cardiac sympathetic innervation. Clin Auton Res, 2011.
22. Frederick Muench, P., The Portable StressEraser Heart Rate Variability Biofeedback Device: Background and Research. Biofeedback, 2008.

AUTHOR: LY T

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