基于心率负荷模型的篮球项目量化训练监控研究：模型、应用、局限与建议

张志勇，张明洋，秦子晴，孙 健，谢和志

前言

无线心率监测器最早于1983年利用心电图技术开发而来[1]。心率监测器有两个关键部件：一个是发射器，通常佩戴在受试者胸大肌下面的胸骨底部；另一个是接收器（电脑）。在所有情况下，心率监测器都显示心脏电活动的频率。以往的文献支持将心率作为运动强度的衡量方法，在各种亚最大强度下观察到了可接受的有效性[2]和可靠性[3]。基于心率和摄氧量之间既定的线性关系[4]，心率监测器可以作为关于运动期间摄氧能力的观察指标。此外，心率和摄氧量之间的关系使心率可以用来预测亚最大强度测试中的最大摄氧量的反应[5]。因此，心率和摄氧量之间的关系构成了使用心率监测器来估计运动员热量消耗的基础。血乳酸是无氧代谢的指标[6]，心率反应也被证明与血乳酸的积累呈正相关。因此，监测心率可以提供在间歇性运动中执行动作任务的代谢要求的有用信息，例如篮球运动。

3x3篮球于上世纪70年代以街头篮球的形式出现在美国，经过多年的演变以及国际篮联（FIBA）的不断规范和推广，形成了一套完整的比赛规则和机制。2017年6月9日，国际奥委会执委会宣布，在第三十二届奥运会（即2020年东京奥运会）开始，3x3篮球项目被列入奥运项目。3x3篮球是一项相对较新的运动项目，关于运动员表现概况的信息较少。据文献资料查阅得知，只有少数研究探索了3x3篮球运动员的身体和生理需求。

尽管心率监测在篮球运动中被普遍使用，但通过文献查阅仍然发现存在着几个问题：（1）缺乏专门的报道与心率测量相关的主要用途和使用的局限性；（2）较少有3x3篮球男女运动员的在不同年龄段训练和比赛中心率反应的报道。（3）基于3x3篮球比赛特点实施心率监测的建议较少报道。这些信息有利于更好地使篮球教练员、体能训练专业人员以及科研人员在实施心率监测实践时做出合理的决策。因此，本研究的目的是：（1）确定篮球运动中心率测量的主要应用和应用局限；（2）整理男性和女性篮球运动员在训练和比赛中的心率反应报告；（3）评估目前基于心率的训练负荷模型在3x3篮球运动中的适用性；（4）为未来关于3x3篮球运动心率（HR）监测的研究和实践提供建议。

1 篮球运动中心率监测的应用

心率测量在篮球运动中主要用途，可分为（1）监测运动强度；（2）评估球员的疲劳状态；（3）使用已建立的模型量化内部训练负荷。

1.1 监测运动强度

在篮球训练和比赛期间应用心率监视可以了解运动员所经历的运动强度，从而制定精确的训练方法[7]。具体来说，在比赛期间监控运动员心率反应可以让篮球从业者更好地定制训练活动，以满足或超过比赛期间的内部强度[8]。此外，利用比赛期间的心率反应可能有助于教练的战术决策，例如，识别出那些长时间已接近最大强度表现的运动员，由于3x3篮球比赛过程是无教练指挥的，第4位替补队员需要掌握队友的情况，更好地识别出暂停、换人或使用犯规战术的时机，以便让队友在比赛中进行恢复[9]。

1.2 评估球员的疲劳状态

测量运动员的心率可以深入了解他们对单一或重复性运动的疲劳状态。心率恢复是确定心血管系统对运动适应性的一个既定标志[4]。具体来说，在训练的准备阶段，运动员表现出比平时更高的心率模式表明运动员正经历着累积训练刺激的疲劳状况[10]。此外，与个体心率基线相比，运动员心率的巨大变化或与其他运动员相比的较大差异，可能表明非功能性的过度训练[11]。相反，与个体基线相比，在比赛或减少训练量阶段较低的心率可能表明通过抑制交感神经系统成功地进行了心血管系统适应[12]。

1.3 量化内部训练负荷

迄今为止，基于心率的训练负荷模型是监测篮球运动员所经历的内部负荷的最流行方法[10]。在篮球运动中，成功的团队的一个关键决定因素是减少运动员受伤的数量和无法参赛的时间[13]。在这方面，当身体需求超过了运动员在训练和比赛之间充分恢复的能力时，会导致疾病或受伤的出现[14]。另一方面，大量累积的内部负荷、内部负荷的快速增加或相对于给定外部负荷的内部反应加剧（由基于心率的训练负荷测量）可能伴随着疲劳加剧、决策能力下降、协调性变差、神经肌肉控制和本体感觉减弱，这可能容易导致受伤，尤其是对篮球运动员的下肢[14]。

2 男性3x3篮球运动员训练和比赛的心率反应

尽管心率监测在篮球运动中有不同的应用，但现有的大部分研究都集中在测量运动员在训练和比赛中的反应。表1列出了男性篮球运动员在训练和比赛中的心率数据的文献特征。

表1 男性篮球运动员训练和比赛的心率反应

2.1 男性3x3篮球运动员训练的心率反应

量化训练期间的心率反应可以让篮球从业者确定运动员是否为比赛中可能遇到的生理需求做好了充分的准备。研究表明，训练（或训练赛）活动中的绝对心率范围：139±15到179±9.27之间变化，与之相对应的相对心率范围：（71.64%±7.73）最大心率到（87.1%±4.53）最大心率。心率反应的差异可能归因于球场大小，以及在训练场景中的运动类型。Sampaio等人[15]报告了3x3与4x4最大相对心率值87.1%与82.7%，不同比赛人数之间虽然没有统计学显著差异，但显示出3x3对运动员的生理需求更大。此外，Castagna等人[16]检验5x5和3x3的全场比赛，发现两者心率值随着场上球员数量的减少而增加。这一趋势很可能是因为每个球员都被要求覆盖更大的距离与对手进行进攻和防守，进而增加了心率的反应。

引起篮球运动员心率反应差异的另一个重要因素是球场的大小。Torres-Ronda等人[18]认为与半场比赛相比，全场比赛会导致更高的心率反应。全场比赛执行基于技术的移动所花费的时间更少，而进行基于跑步的移动的时间更多[18]。Leite，Nuno Miguel Correia等人[17]发现使用3X3比赛模式会导致训练强度更大，因为对运动员个人运动表现的要求也更高。然而，Rubén Dehesa等人[21]在观察西班牙乙级联赛11名职业篮球运动员在训练赛过程中发现，在球员数量和场地大小（半场/全场）上没有发现显著的差异，但在个人防守中观察到了更大的强度（p＜0.01），后卫在训练赛中表现出更大的强度。

除了传统的训练方法外，一些新的体能训练工具可以确保运动员在训练场景中付出最大的努力以获得最佳的生理适应。通过开发篮球运动特定动作的模拟训练，为传统训练提供了一种替代方法[23，24]。篮球运动模拟测试[25]，通过一个基于半场大小的分段环路设计，复制了男子篮球比赛的体能与动作要求。在研究篮球运动模拟测试时，Scanlan等人[25]记录了澳大利亚初级男子篮球运动员在非比赛环境中的心率反应（心率平均值：91%HRmax±4；心率峰值：98%HRmax±5）。

总体而言，教练在规定训练活动时应考虑球场上的球员数量，因为较少的球员（3人及以下）会增加比赛的运动强度。同样，实施全场比赛也会增加训练期间的心率反应。最后，应用新的体能训练工具，如篮球运动模拟测试，在训练环境中具有一定的作用，它可以刺激超出一般比赛反应的生理压力，并为篮球从业者提供更多的训练负荷的控制。

2.2 男性3x3篮球运动员正式比赛的心率反应

到目前为止，只有2篇现有文献报告了3x3男性篮球运动员在正式比赛中的心率反应。现有的篮球比赛期间的男性心率数据表明，男性球员的反应各不相同，从164±12到198±10.[19，20]。Riley B McGown等人[19]的研究显示，在各个阶段比赛之间的心率反应情况是：与小组比赛相比，半决赛的心率峰值（p=0.003，ES=0.38）和决赛的心率峰值（p=0.04，ES=0.3）更高。最大比例（56.9±20.1%）比赛时间发生在心率5区（90-100%峰值心率）。Paul G.Montgomery等人[20]在比较18岁以下360名男性精英篮球运动员在不同水平的3x3篮球比赛心率反应时发现，平均心率为：164±12，最高心率为：198±10，不同级别比赛之间没有差异。

3 女性3x3篮球运动员训练和比赛的心率反应

与男性的心率反应相比，关注女性在训练或比赛中心率反应的文献很少。表2列出了女性篮球运动员在训练和比赛中的心率反应情况。

表2 女性篮球运动员训练和比赛的心率反应

3.1 女性3x3篮球运动员训练的心率反应

目前，只有一项研究考察了女性3x3篮球运动员在训练中的心率反应。Atli等人[26]记录了土耳其女高中生（15.5±0.5岁）在全场、半场的训练赛活动中的平均绝对和相对心率值。具体来说，Atli等人报告了在全场（平均心率：180.9±5.7；峰值心率85.6%HRmax±3.1）比半场（绝对平均心率：161.8±6.2；相对峰值心率76.3%HRmax±2.5）3x3的比赛中的心率反应明显更高。在不同球场大小的比赛之间观察到的差异与男性数据相当，可能反映了在进攻和防守期间为扩大球场覆盖面而提高的跑步要求所带来的心血管系统需求。

3.2 女性3x3篮球运动员正式比赛的心率反应

目前只有两项研究报告了女性3x3篮球运动员在竞技比赛中的心率反应。Riley B McGown等人[19]分析22名精英女性篮球运动员小组赛、四分之一决赛、半决赛、决赛心率的变化情况发现，绝对平均心率为：164±5，在各个阶段比赛之间的心率反应情况是：与小组比赛相比，半决赛的心率峰值（p=0.003，ES=0.38）和决赛的心率峰值（p=0.04，ES=0.3）更高。男女之间的最低心率、平均心率、最大心率没有统计学差别。Paul G.Montgomery等人[20]研究发现，18岁女性精英篮球运动员在不同水平的3x3篮球比赛中的平均心率为：165±18，最高心率为：198±9，不同级别比赛之间没有统计学差异。

总的来说，女性3x3篮球运动员心率数据的匮乏使我们很难在关于训练和比赛心率反应的研究中得出更为明确的结论。然而，对女性球员的心血管系统生理需求似乎跟比赛水平、比赛各个阶段没有明显相关性，然而比赛时心率普遍较高（超过50%的比赛时间心率维持在90%HRmax以上）可能是由于3x3比赛的特点是在半场中进行，形成3：1的工作和休息比例造成的[19]。关于女性运动员在训练中经历的心率反应的文献有限，这使得评估训练场景和比赛的一致性变得困难。解决这一问题的研究将有利于确保女性的训练方法为比赛提供充分的生理准备。

4 篮球运动中基于心率的训练负荷模型

篮球训练和比赛期间更广泛使用的内部反应测量方法是心率测量，因为它方便、连续、无创[27]。并且心率被认为是确定运动中有氧代谢贡献和对所进行的运动强度进行分类的有效方法[28]。然而，据报道，单独使用心率测量来评估篮球训练和比赛的生理反应很有可能会低估运动强度[29]。为了避免强度的低估，可以将心率与其他测量方法结合起来，或纳入基于心率的个体化训练负荷模型之中。这些解决方案保持了数据收集的实际优势，同时捕捉运动员的反应和整个训练过程中的时间变化，减少单独使用心率测量造成的误差[31]。尽管负荷-反应关系被认为是所有运动的关键训练原则，但内部反应将最终决定训练的结果。1975年，Banister等人首次提出了内部负荷的通用测量方法。此后，各种训练负荷模型被开发出来，这些模型有可能克服篮球运动中数据收集的局限性，如收集数据所需的额外恢复期、与血液取样有关的不便，以及在高强度、间歇性活动中对工作负荷的低估[32]。常见的训练负荷模型：Banister的训练冲动模型、Lucia的训练冲动模型、Edwards的综合心率区间模型。

4.1 Banister的训练冲量模型

负荷=训练时间（分钟）x A x（Δ心率比率）x ebx（Δ心率比率）

其中A=性别因素（男性=0.64，女性=0.86）；b=性别因素（女性=1.67，男性=1.92）；e=自然对数的底（常数为2.712）；Δ心率比率=（训练平均心率x训练前静息心率）/（训练最大心率x训练前静息心率）。

当使用Banister的训练冲量模型来监测篮球运动员的内部反应时，教练员应该考虑以前文献中报道的不同训练类型的影响。具体来说，在半职业的男性篮球运动员中，Banister的训练冲量模型表明，各种训练负荷模型在篮球训练中测量的是类似的内部负荷，但这些相关性的强度受到所完成的训练类型的影响。例如在各种专项技术动作的训练过程中，Banister的训练冲量模型和自我劳累分级量表（r=0.38，p＜0.05）之间的相关性较弱[30]。

Banister的训练冲量模型主要局限是使用了标准化的曲线（血乳酸阈曲线）来研究运动的心率反应[33]，而没有考虑个体的反应，这种反应会因训练模式、无氧及有氧运动水平的不同而不同。在将Banister的训练冲量模型应用于训练或比赛时，需要考虑这种个体反应[30]。与其他训练负荷模型相比，如Lucia的训练冲量模型或Edward的综合心率区间它们能够捕捉到个体差异并检测到负荷的变化，似乎更适用于篮球运动。

4.2 Lucia的训练冲动模型

Lucia的训练冲动模型旨在通过根据个性化血乳酸阈值的心率值来加权在不同强度下花费的时间来量化内部负荷[30]。Lucia的训练冲动模型计算如下：

负荷=（1区的持续时间（分钟）X1）+（2区的持续时间（分钟）X2）+（3区的持续时间（分钟）X3）。

其中第1区=血乳酸＜2.5 mmol·L-1时的心率；第2区=血乳酸在2.5 mmol·L-1和4.0 mmol·L-1之间时的心率；第3区=血乳酸＞4 mmol·L-1时的心率。

目前，只有1项研究探讨了Lucia的训练冲动模型在篮球运动中的应用。Scanlan等人[34]在非竞技环境中使用了篮球模拟测试，并报告Lucia的训练冲动模型与Banister的训练冲量模型和Edwards的综合心率区间模型在不同负荷下的篮球活动（10-40分钟）中具有微不足道到很小的关系（r=-0.22-0.07），表明它可能提供与其他模型不同的关于内部负荷的理解。

鉴于血乳酸对运动的反应因人而异，Lucia的训练冲动模型考虑到了血乳酸积累开始时的阈值，然后用于提供运动员反应的个体化表示[2]。在像篮球这样依赖无氧代谢的运动中，尤其体现在3x3篮球运动中，乳酸阈值具有明显的实际优势，它可以识别出更大的生理压力，通常会出现疲劳。Lucia的训练冲动模型能够考虑到球员在这一强度区工作的时间，以便在篮球训练和比赛中对内部反应进行更个性化的表述。

Lucia的训练冲动模型需要额外的时间来进行分级运动测试，需要专业的设备，和具有相应专业知识的运动人体科学专业人员来解释数据。Scanlan等人的研究结果表明，有必要研究一种替代方法来确定篮球训练和比赛中的内部反应。与以心率和血乳酸之间的关系为前提的训练冲量模型相比，一个潜在的替代方法是自我劳累分级量表模型，它使用知觉措施来量化内部反应具有较高的可靠性[32]。

4.3 Edwards的综合心率区间模型

Edward的综合心率区间模型是量化篮球运动过程中内部反应的另一种方法，但到目前为止，它只在训练期间被报道[30，35，36]。运动持续时间（分钟）与心率区间强度相结合，由加权心率区间确定，强度越高，权重越大。Edwards的综合心率区间模型[31]：

负荷：=（1区的持续时间X1）+（2区的持续时间X2）+（3区的持续时间X3）+（4区的持续时间X4）+（5区的持续时间X5）。

其中，1区=50-60%HRmax，2区=60-70%HRmax，3区=70-80%HRmax，4区=80-90%HRmax，5区=90-100%HRmax。

在使用Edwards综合心率区间模型时，Manzi等人[37]报告说，在没有比赛的情况下，与每周有1或2场比赛相比，职业男子篮球运动员在每周的比赛循环中会有更高的内部负荷。这项研究支持Edwards综合心率区间模型在每周循环中检测训练负荷变化的敏感性[37]。与其他模型相比，Edwards综合心率区间模型的高灵敏度可能是由于嵌入了个性化的最大心率反应，以及在对运动强度进行加权时利用了更多的心率区间。此外，Scanlan等人[36]观察到，与Banister的训练冲量模型相比，Edwards综合心率区间模型与使用加速度计测量的外部负荷有更强的相关性（r=0.61），适用于半职业的男性运动员。这一发现为Edwards综合心率区间模型在实践中的使用提供了进一步的支持，因为外部和内部训练负荷之间的强相关性使从业者在调整训练负荷时能够更准确地在运动员身上获得所需的反应。

Edwards综合心率区间模型的主要局限性是利用大范围的线性加权系统（10%最大心率区间），这可能会产生与Lucia的训练冲量模型所讨论的类似的结果变化。例如，如果两名运动员分别以81%HRmax和89%HRmax进行训练，他们将记录同等的综合心率区间权重，尽管运动的心率强度明显不同。

5 3x3篮球运动中心率监测的局限与建议

心率监测的各种应用需要在3x3篮球运动环境中进一步科学调查。首先，表1和表2中的数据显示了文献中对心率报告的差异性，平均和最大反应以绝对和相对形式呈现。同样，数据也是相对于现场时间（不包括比赛暂停和换人期间记录的心率反应）和总时间（包括比赛暂停和换人期间记录的心率反应）报告的。实时时间可以通过去除比赛中的恢复期来了解球员所经历的峰值需求，而总比赛时间则提供了关于比赛期间固有的恢复过程的关键信息。心率值报告的差异性使不同研究之间的比较变得困难，并限制了以前研究的结论。因此，未来的研究需要在报告3x3篮球训练和比赛期间的心率反应方面有一个共识的方法。

第二，在未来的研究中需要解决3x3篮球运动员在性别、年龄、运动员特点和比赛时间方面有限的心率数据。目前，在不同形式的训练赛中，3x3女性篮球运动员的心率反应只有1篇报告，需要进一步调查以确定训练心率反应是否适合于为女性运动员进行生理上的比赛准备。此外，文献中使用的球员年龄范围很广，这使得研究之间的解释很困难。对不同年龄段的球员在相同比赛水平和相同比赛设置下的心率反应进行比较，将为篮球运动中心率反应的发展变化提供更多的证据，以便更精确地制定特定训练计划。同样，应进一步研究男性和女性在3x3比赛和比赛期间的心率反应，以便更好地制定针对3x3比赛特点的训练和恢复方法，并确定比赛期间的疲劳模式，以便更精确地管理球员的战术。

第三，尚未有研究直接比较了篮球运动员在训练环境中的心率反应和在实际比赛中的心率反应。为了建立有效的训练计划，充分满足运动员对比赛的生理需求，进一步的研究应该量化男性和女性运动员在不同训练模式和比赛中的心率反应。

第四，基于心率的训练负荷模型是最支持量化球员在整个年度计划中的内部反应的手段。实际上，Edwards的综合心率区间模型在采用个体化方法和比其他方法所需的时间、专业知识和资源更少的实践执行方面提供了一个可见的平衡。然而，鉴于篮球运动研究中报告的方法各不相同，最大心率的确定必须标准化，建议未来的研究确定基于现场和基于实验的方法对训练负荷结果的最大心率反应的影响。此外，考虑到使用超过10%最大心率区间的局限性，未来应该研究嵌入较小区间的综合心率区间模型的应用，同时调整权重。

最后，对女性和青少年3x3篮球运动员进行更多的科学调查非常必要。对更多运动员的基于心率的训练负荷模型的研究将有利于建立根据性别、年龄、运动员特点和比赛水平的年度计划的最佳方法。