53、虚拟环境中HRV、体育锻炼与注意力焦点的依赖关系研究

虚拟环境中HRV、体育锻炼与注意力焦点的依赖关系研究

1. 引言

适当强度的体育活动对人类健康至关重要。如今，便携式心率测量设备在日常生活和运动员训练中被广泛用于调节个人运动强度。

人体心脏平衡由交感神经系统和副交感神经系统这两个自主神经系统分支控制。交感神经系统在心理和生理压力情况下调动人体资源，而副交感神经系统则帮助人体在压力后恢复。心率变异性（HRV）反映了这两个神经系统之间的相互作用，可用于识别一个人是处于休息状态还是压力状态。

HRV参数众多，可分为以下几类：
- 时域参数 ：
- 统计方法 ：主要包括RR、NN、SDNN、SDANN、SDANN - i、RMSSD、SI、NN50、pNN50、SDSD等。
- 几何方法 ：通常包括HRV三角指数、TINN、差分指数和对数指数等。
- 频域参数 ：对节律图信号进行快速傅里叶变换（FFT）后计算得出，包括ULF功率、VLF功率、LF、HF、LF/HF比率、VHF等。
- 非线性方法 ：包括DFA a1和a2、S、SD1、SD2、SD1/SD2、庞加莱图等。
- 长期相关性 ：暂未详细展开。

本研究旨在探讨体育活动如何影响人类心脏健康以及在交互式虚拟电脑游戏中的注意力焦点。通过在实验中测量心率变异性和基于脑电图（EEG）的参数，并了解参与者是否有规律的体育活动，我们寻找与注意力焦点的相关性，因为多项研究表明身体健康与心理任务之间存在联系。同时，我们还计划测试注意力提升设备是否有效以及对参与者的影响。

2. 虚拟环境和实验设置

为了研究注意力焦点与心率变异性之间的联系，我们计划进行一项使用虚拟现实应用的实验。在某些情况下，我们使用了一种可能提高注意力的非医疗设备，并分析其是否能达到预期效果。

我们使用Unity软件开发了一个虚拟足球场和体育场，场景采用第一人称视角。参与者需要通过点击键盘上的“空格键”来“踢”球射门。如果参与者的注意力焦点高于60%，球将射进球门；如果低于60%，球将射偏。当注意力达到最高水平（100%）时，球将射向球门正中心。

每个参与者的实验计划时长为180秒，不包括实验准备时间，如佩戴和取下测量设备、解释实验过程以及回答参与者的问题等。参与者可以根据自己的意愿多次踢球。此外，参与者并不知道注意力焦点的阈值（60%），也无法实时看到自己的注意力水平，他们只能通过球是否射进球门来判断自己的注意力是否足够高。

实验中使用了以下生物信号测量设备：
- POLAR V800心率测量设备 ：以1000 Hz的分辨率测量RR间隔，因其在科学研究中的有效性而被选用。
- NeuroSky Mindwave设备 ：用于测量人类的注意力水平。该设备用户友好，是一款头戴式设备，前额有一个干电极，耳朵上有一个夹子，在非医疗应用中具有可接受的准确性。它还能够记录眨眼次数、冥想水平以及脑电图功率谱（α、γ、θ、β和δ波）。
- ElfEmmit设备 ：具有注意力提升功能，我们将其用于部分志愿者，以研究其在提高注意力焦点方面的效率。

3. 数据

实验选取了21名19 - 20岁的大学生作为参与者，其中6名女性，15名男性。随机选取9名参与者佩戴ElfEmmit设备，另外10名不佩戴。由于两名女性参与者的数据记录损坏且信号质量过低，其数据未被纳入研究，最终共有19名志愿者（4名女性，15名男性）的数据被用于分析。

在实验过程中，我们使用Polar V800设备记录RR间隔，使用NeuroSky设备每0.5秒记录以下数据：
- 眨眼情况 ：眨眼强度越大，记录的参数值越高。
- 冥想水平 ：范围从0%到100%。
- 平均注意力（集中力）值 ：范围从0%到100%，在每次踢球之间取平均值，并每0.25秒重新计算一次。
- 踢球次数 。
- 进球次数 。

此外，我们还向每位志愿者发放了一份问卷，问题包括：
- 你从事哪种体育运动？
- 你是否有规律的训练？每周训练几次，每次训练多长时间？
- 你是否是运动员？

在19名参与者中，有13人回答了关于体育训练的问题。其中1人是职业运动员，6人有规律的训练，6人目前没有规律的训练。

4. 方法

经过对描述HRV参数和方法的科学论文的分析，我们认为RMSSD参数是实时评估人类心脏健康的最佳参数之一。

RMSSD是连续NN间隔之间所有差值平方和的均方根的平方根，其计算公式如下：
[RMSSD = \sqrt{\frac{1}{N - 1} \sum_{i = 1}^{N - 1} (RR_{i + 1} - RR_i)^2}]
其中，RR是心跳间隔，N是心跳次数。

不同体育活动水平的人群，其RMSSD的正常范围有所不同：
| 人群类型 | RMSSD密度峰值 | RMSSD正常范围 |
| ---- | ---- | ---- |
| 身体不活跃人群 | 约45 ms | 19 - 75 ms |
| 有规律训练人群 | 约55 - 75 ms | 19 - 75 ms |
| 运动员 | 约95 ms | 范围较宽 |

非运动员的RMSSD平均参数值为42 ms，正常范围在19到75 ms之间。

5. 结果

5.1 RMSSD与训练时长的关系

我们分析了大量不同参数对的对比图，其中RMSSD与训练时长的关系如图所示。从图中可以看出，无论是有规律训练的参与者还是没有训练的参与者，他们的RMSSD参数值既可能在正常范围内，也可能超出正常范围。不过，职业运动员的RMSSD值与其他参与者有很大差异。要发现更多趋势，还需要更详细的志愿者健康信息和训练强度数据。

5.2 训练时长与注意力焦点的关系

在分析训练时长与注意力焦点的关系时，虽然没有严格的分类，但实验表明，在回答了体育活动问题的13名参与者中，没有每周训练的参与者往往能达到最高的注意力水平（60 - 80%）。

5.3 ElfEmmit设备的效果评估

为了评估ElfEmmit设备作为注意力刺激器的效率，我们进行了以下分析：
- 进球百分比对比 ：比较了佩戴ElfEmmit设备和未佩戴设备的参与者的进球百分比。尽管情况各异，但可以看出佩戴设备的参与者中，大多数取得了较高的进球百分比。
- 进球前注意力水平对比 ：对比了两组参与者在每次进球前的注意力水平百分比。结果发现，使用ElfEmmit设备的参与者在进球前出现较高注意力水平的情况更多。
- 踢球前注意力水平对比 ：分析了每个参与者每次踢球前的注意力水平，发现佩戴ElfEmmit设备的参与者在更多情况下具有较高的注意力水平。

以下是使用和未使用ElfEmmit设备时一些参数的平均值总结：
| 参数 | 未使用ElfEmmit设备 | 使用ElfEmmit设备 |
| ---- | ---- | ---- |
| 参与者数量 | 10 | 9 |
| 进球百分比 | 38.7% | 47.39% |
| 进球前平均注意力 | 70.30% | 73.25% |
| 踢球前平均注意力 | 53.75% | 58.70% |
| 平均进球数 | 15.20 | 19.22 |
| 平均踢球数 | 39.10 | 38.33 |

从这些数据可以看出，使用ElfEmmit设备时，各项参数的平均值都有所提高，但这些结果还不能被视为具有显著差异的结论，不过可以看出ElfEmmit设备可能对提高人类注意力有积极影响。

下面是每个参与者测量和计算参数的总结表：
| 性别 | ElfEmmit状态 | 进球前平均注意力(%) | 进球百分比(%) | RMSSD(ms) | 训练时长(h/周) |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| F | off | 65.00 | 11.5 | 28 | - |
| M | off | 74.29 | 45.45 | 164 | 21 |
| M | off | 69.75 | 41.18 | 98 | 4 |
| M | off | 76.72 | 41.51 | 29 | 6 |
| M | off | 66.25 | 7.41 | 63 | - |
| M | off | 74.42 | 47.83 | 32 | 0 |
| M | off | 65.00 | 13.64 | 100 | - |
| M | off | 67.40 | 40 | 57 | 6 |
| M | off | 66.04 | 50.94 | 44 | 12 |
| M | off | 78.17 | 87.5 | 44 | - |
| F | on | 74.35 | 62.79 | 16 | 0 |
| M | on | 74.99 | 67.5 | 24 | 0 |
| F | on | 79.87 | 55.88 | 112 | 0 |
| F | on | 70.38 | 34.48 | 90 | 0 |
| M | on | 77.63 | 79.25 | 47 | 0 |
| M | on | 73.43 | 54.55 | 104 | 7 |
| M | on | 60 | 2.7 | 132 | - |
| M | on | 73.95 | 56.82 | 34 | - |
| M | on | 74.67 | 12.5 | 39 | 6 |

当进球前平均注意力超过70%时，该值用粗体标记；当进球百分比超过50%时，该值用粗体标记；当RMSSD值超出正常范围时，该值用粗体标记。从表中可以看出，RMSSD与进球间的平均注意力或进球数之间没有明显的联系。

综上所述，本部分研究了虚拟环境中HRV、体育锻炼与注意力焦点的部分关系，包括实验的设置、数据收集、方法运用以及初步的结果分析。后续将继续探讨研究的结论和对未来研究的展望。

6. 结论

• RMSSD与体育活动的关系 ：研究结果显示，除了职业运动员（进行高强度训练）的情况外，RMSSD参数与参与者的体育活动并无明显关联。无论是有规律（非高强度）训练的参与者，还是没有规律训练的参与者，其RMSSD参数值都可能处于正常范围，也可能超出正常范围。若要得出更精确的结论，还需要更详细的志愿者健康信息和体育活动强度数据。
• 注意力焦点与训练时间的关系 ：未发现注意力焦点与每周训练时间之间存在显著的依赖关系。但可以明显看出，没有规律训练的参与者能够达到最高的注意力值（60 - 80%）。
• ElfEmmit设备对注意力的影响 ：在研究ElfEmmit设备对参与者注意力焦点的影响时发现，佩戴该设备的参与者平均进球数增加了10%，这表明他们更频繁地达到了所需的注意力集中水平。使用该设备的参与者在踢球前和进球前的平均注意力水平分别提高了3 - 5%。虽然目前不能断言该设备有助于提高注意力，但这种积极的趋势是显而易见的。

7. 讨论

7.1 样本规模问题

为了验证注意力焦点与每周训练时间之间的依赖关系，需要更大规模的参与者样本。因为其他研究已经表明身体健康和心理健康之间存在联系，而本次研究的样本可能不足以揭示这种关系。

7.2 设备效果验证

需要进行更大规模的实验，以确认或否定ElfEmmit设备对注意力焦点的积极影响。目前的实验结果虽然显示出一定的趋势，但还不能得出确凿的结论。

7.3 未来实验建议

基于本次实验的数据处理和结果分析，对未来的实验提出以下建议：
- 延长实验时间 ：让实验持续更长时间，以便更全面地观察参与者在不同阶段的表现。
- 交叉实验 ：让同一参与者分别在佩戴和不佩戴ElfEmmit设备的情况下完成任务，这样可以更直接地比较设备的效果。
- 收集更多健康数据 ：要求参与者提供更多关于他们健康状况的信息，这有助于更深入地分析实验结果。
- 结合心理类型分析 ：将实验结果与参与者的心理类型进行比较，探索心理因素对注意力和心率变异性的影响。

7.4 测量设备探讨

尽管有研究对NeuroSky设备测量脑电波信号的能力提出批评，但在本次实验中，该设备具有一些优点，如易于佩戴、不使用干电极以及可以与其他头戴设备同时使用等。而且本次实验的设计确保了能够准确区分每个进球或未进球前后的信号部分。不过，为了进一步验证实验结果，使用其他非医疗设备进行类似实验，并将结果与本次研究进行比较是很有意义的。

以下是本次研究的整体流程mermaid流程图：

graph LR
    A[实验准备] --> B[开发虚拟环境]
    A --> C[选择测量设备]
    B --> D[进行实验]
    C --> D
    D --> E[收集数据]
    E --> F[数据分析]
    F --> G[得出结论]
    G --> H[讨论与展望]

综上所述，本次研究通过在虚拟环境中进行实验，初步探索了HRV、体育锻炼与注意力焦点之间的关系。虽然取得了一些有价值的结果，但仍存在许多需要进一步研究和验证的方面。未来的研究可以在更大规模的样本、更全面的实验设计和更深入的数据分析基础上，更准确地揭示这些因素之间的内在联系，为提高人类的身心健康和注意力水平提供更有力的支持。