心拍変動からみた至適運動強度の設定

• Project/Area Number: 20K11428
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 59020:Sports sciences-related
• Research Institution: Nihon University
• Principal Investigator: 長澤 純一 日本大学, 文理学部, 教授 (40228002)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 心拍変動 / 非線形解析 / 至適運動強度 / DFA法 / 運動強度 / 低酸素

Outline of Research at the Start

心拍変動にトレンド除去法を適用して解析し，とくに自律神経性の制御ならびに循環系の健全性を保ちうる，という観点から種々の環境要因を考慮した至適運動強度を明確にしていく。心拍変動による測定は非侵襲的で即時性があり，その日の体調を考慮した運動強度の処方が可能になるとすれば，健康のための処方として大いに有為であると考えられる。測定は，指標となる指数”α”が，生理学的な身体負担度とどのように関連するかを，常酸素安静時を基準に，低酸素暴露などの環境要因，ならびに鍛錬度の違いなどをもとに運動強度を種々設定して網羅的に評価するもので，最終的には至適強度指標として一般化することを目標とする。

Outline of Annual Research Achievements

運動のプログラミングに際し，運動強度と心拍数に直線的関係がみられることを利用して心拍数を運動強度の指標とすることが広く行われている。他方，心拍変動（Heart Rate Variability：HRV）は，自律神経系の状態や，心血管系の健全性などと言った観点から着目されている。本研究は，心拍変動をトレンド除去法（DFA法）を適用して解析し，とくに自律神経性の制御ならびに循環系の健全性を保ちうる，という観点から至適運動強度をとらえられるかを明確にしようとした。
運動は自転車エルゴメーターを用い，様々な運動環境を設定するため，3段階の酸素濃度（20.5％，17.0％，14.5％）を設定し（標高100m，1500mおよび2800m程度を想定），それぞれ3段階の運動負荷（5W,50W,125W）で日を分けて計9回行わせた。HRV解析は，仰臥位安静（10分間安静の後半5分間）に引き続いて35分間運動させ，その間5分ごとの解析を運動終了まで7回行った。
動脈血酸素飽和度は，環境酸素濃度依存的に順序効果を持って低下した。筋酸素飽和度は，20.5％と17％環境では大きな差異を認めず，14.5％のみで顕著な低下傾向を示した。DFA法によるαの値は，5wから50Wでは運動開始当初から大きな変動を示さなかったが， 125W運動時には運動中次第に低下する傾向を示した。これは，酸素濃度の差異にかかわらず生じる傾向であった。また，17％程度までの酸素濃度の低下は，心拍変動のパフォーマンスに大きな差異を与えないことが示された。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

COVID-19の社会環境で，令和3年度は，ヒトを対象とした測定の進行が遅れたため，申請3年間の間にデータの収集までの完了にとどまっており，データの解析と考察に至らなかった。
現在までに，被験者を用いたデータの収集はほぼ終了している。内容は，常時換気された実験室内に設置したテント（2畳相当）に，低酸素ジェネレータによって20.5％，17.0％および14.5％の酸素環境を設定し，安静時および異なる3段階の強度（5W，50W，125W）での運動時における心拍変動ならびに呼気パラメータの測定［各被験者に対して，10回の測定（低酸素条件3種類×運動条件3種類，および最大酸素摂取量：1回）］を行った。測定は，呼気パラメータ（酸素摂取量，換気量など），経皮的動脈血酸素濃度, 筋酸素飽和度，心拍変動（DFA法によるα1動態の極大値，安静値との差分(Δ値)など）であり，これらの詳細な解析と統計処理ならびに考察を進めている（1年の延長申請承認済）。

Strategy for Future Research Activity

運動処方上，運動強度は，%VO2maxや無酸素性作業閾値などを基準として設定されてきたが，これらは暑熱・寒冷，標高などの環境要因が考慮に入れられているわけではない。また，そもそも「本日の至適運動強度は（自転車で）何ワットである」などという処方が困難なのは，個々人のその日の体調や疲労の程度が一様でないために，あまりに具体的な数値設定が適切ではないことにもよっている。自律神経系の状態を基盤とするHRVの測定は，被験者の置かれた環境を鋭敏に反映するため，運動の処方に，より明確な時間および強度設定が可能になるものと考えられる。
血液および唾液からの生化学的パラメータの解析が終了していないため，結論を導くのは尚早であるが，ここまでの成果からは，酸素濃度17%（標高1500m相当），あるいは運動強度50W程度の運動では，心拍変動という測定指標を用いると，生体に大きな負荷を与えていない水準であったと考えられる。運動が「適度な運動強度」である，すなわち，どの程度の運動強度から生体に過剰な負荷がかかるのかについて，既存の生理的指標と比較しながら，その日の体調や個人差を考慮した，精緻な水準を追求していく。