Liikuntatieteiden tohtori Piia Kaikkosen pitämän esityksen materiaali Liikuntatieteellisen seuran ja yhteistyötahojen Kuntotestauspäiviltä 16.3.2017 Tampereelta. Kaikkonen työskentelee testauspäällikkönä Tampereen Urheilulääkäriasemalla (osa Urho Kekkosen Kuntoinstituuttisäätiötä) "Tiedettä teknologian takana – taustaa kuormittumisen ja palautumisen arviointiin"

1. Tiedettä teknologian takana
– taustaa kuormittumisen ja
palautumisen arviointiin
Piia Kaikkonen, LitT, testauspäällikkö, Tampereen Urheilulääkäriasema
Kuntotestauspäivät 15.‒16.3.2017

2. Sisältöä
1) Kuormittuminen ja palautuminen
2) Käytettyjä menetelmiä
3) Sykevariaation perusteita
4) Harjoittelu ja sykevariaatio
5) Uutta teknologiaa
(ylikuormitus)
terveurheilija.fi 2

3. (ylikuormitus)
Ylikuormitusperiaate ja superkompensaatio
Elinjärjestelmien ylikuormitus ja autonomisten
prosessien riittävä palautuminen, superkompensaatio
AIKA
SUORITUSKYKY
Elinjärjestelmien ylikuormitus ja autonomisten prosessien
riittämätön palautuminen
terveurheilija.fi 3

4. Kuormittuuko? Palautuuko?
HOMEOSTAASI Neurofysiologiset
säätelymekanismit joko
lisäävät tai vähentävät
elimistön fysiologista
reaktiivisuutta kuormittaviin
tilanteisiin.Yksilöllinen kuormituksen
sieto ja reaktiivisuus!
Pitkittynyt liiallinen
kuormitus lisää
herkkyyttä stressille.
terveurheilija.fi 4

5. Kuormittuminen ja ylikuormittuminen
OR = overreaching
NFOR = non-functional overreaching
FOR = functional overreaching
OT = overtraining
OTS = overtraining syndrome
PROSESSI HARJOITTELU TEHOSTETTU HARJOITTELU
LOPPUTULOS
PALAUTUMINEN Päiv(i)ä Päiviä-viikkoja Viikkoja-kuukausia Kuukausia-……
SUORITUSKYKY Parantunut
(ylikuormitus)
Akuutti
väsymys
Toiminnallinen
ylikuormitus
Ei-toiminnallinen
ylikuormitus
Ylikuormitus-
oireyhtymä (OTS)
Hetkellinen
heikkeneminen,
esim. leiri
Ennallaan,
heikkenee
Heikentynyt (pitkästä
levosta huolimatta)
Mukaeltu: Meeusen ym. 2012 MSSE
terveurheilija.fi 5

6. Ulkoinen harjoituskuormitus
(external training load)
(ylikuormitus)
• harjoituksen kesto
• harjoituksen intensiteetti
(absoluuttinen/suhteellinen)
• voima, nopeus, matka, teho
• harjoitusten useus
• (palautusaikojen pituus/määrä)
terveurheilija.fi 6

7. Fysiologinen harjoituskuormitus
(internal training load)
(ylikuormitus)
• HR + HRV
• koettu rasitus/väsymys (RPE)
• laktaatti
• EPOC
• kyselyt ja päiväkirjat
-------------------------------
• TRIMP (Training Impulse, HR + kesto min)
• TRIMPi (Training Impulseindividual, HR + Bla + kesto min)
• session RPE (RPE 1-10 + kesto min)
• psykomotoriset testit
• hermolihasjärjestelmän toiminta (esim. hyppytestit)
• biokemialliset muutokset (esim. testosteroni,
kortisoli, kreatiinikinaasi)?
terveurheilija.fi 7

8. Kuormittumisen arviointi
Variable Units/descriptors
Frequency Sessions per day, week, month
Time Seconds, minutes, hours
Intensity Absolute, relative
Type Modality, environment
Maximal effort Maximum mean power, jump height
Repeat efforts Number of efforts, quality of efforts
Training volume Time, intensity
Perception of effort RPE
Perception of fatigue and recovery Questionnaires; REST-Q, VAS
Illness Incidence, duration
Injury Type, duration
Biochemistry and hormone analysis Baseline, response to exercise
Technique Movement deviations
Body composition Total body weight, fat mass, fat-free mass
Sleep Quality, quantity, routine
Psychology Stress, anxiety, motivation
Sensations Hopeful, neutral, hopeless
(ylikuormitus)
Halson S. 2014 .; 44(Suppl 2): 139–147. Sports Med
terveurheilija.fi 8

9. Vaatimuksia päivittäiseen
kuormittumisen arviointiin
(ylikuormitus)
• validi mittaamaan fysiologista kuormittumista
Huom! Mitä elinjärjestelmiä kuormitetaan?
• riittävän herkkä reagoimaan muutoksiin
• helppokäyttöinen päivittäisessä harjoittelussa
• edullinen
terveurheilija.fi 9

10. Päivittäisen kuormittumisen arviointi
(ylikuormitus)
EPOC
• validi mittaamaan kokonaisvaltaista kuormittumista
• herkkä muutoksille
• edullinen
• helppokäyttöinen
RPE
• validi mittaamaan kokonaisvaltaista kuormittumista
• herkkä muutoksille
• edullinen
• helppokäyttöinen
Laktaatti
• validi mittaamaan kokonaisvaltaista kuormittumista
• herkkä muutoksille
• edullinen
• helppokäyttöinen
HR + HRV
• validi mittaamaan kokonaisvaltaista kuormittumista
• herkkä muutoksille
• edullinen
• helppokäyttöinen
terveurheilija.fi 10

11. Sykevariaatio
• sydämen lyöntien välisen ajan (RR-intervallit) vaihtelua
• noninvasiivinen sydämen autonomisen säätelyn arviointi
• paljon kliinisiä ja urheilufysiologisia tutkimuksia
terveurheilija.fi 11

12. Parasympaattinen hermosto
• Vagus, 10.
aivohermo
• hermottaa AV-
solmuketta
• sinusrytmi ilman
hermostollista
vaikutusta n. 110-
120 bpm
terveurheilija.fi 12

13. Sykevariaation taustaa
• 1965: kliininen merkitys sikiötutkimuksissa (Hon and Lee)
• 1970: testejä autonomisesta neuropatiasta diabeetikoilla
(Ewing et al.)
• 1977: pienentynyt HRV yhteydessä suurempaan
kuolleisuusriskiin infarktipotilailla (Wolf et al.)
• 1981: 1. tutkimus taajuusanalyysilla, jolla tarkempaa tietoa
vagaalinen vs. sympaattinen(Akselrod et al.)
• 1980-luvun loppu: vahva ja itsenäinen ennustaja
kuolleisuudelle infarktin jälkeen (Kleiger et al. 1987, Malik
et al. 1989, Bigger et al. 1992)
• 1990 → Liikunta-alan tutkimuksia kuormituksen ja
palautumisen aikana
terveurheilija.fi 13

14. Sykevariaation taustaa
Vahvimmin vaikuttavia taustatekijöitä:
• perimä
• ikä
• sukupuoli
• asento
• hengitystaajuus
terveurheilija.fi 14

15. Sykevariaatio vs. syke
HR vs. RRI
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
25 45 65 85 105 125 145 165 185 205 225
HR (bpm)
RRI(ms)
terveurheilija.fi 15

16. Sykevariaatioanalyysit
Matemaattisesti analyysimenetelmät voidaan jakaa
aikakenttämenetelmiin (time domain), joista edelleen
• tilastollisiin ja
• geometrisiin
sekä
taajuuskenttämenetelmiin (frequency domain), joista
edelleen
• parametrisiin ja
• nonparametrisiin.
terveurheilija.fi 16

17. Sykevariaatioanalyysit
Tilastollisia aikasarjamuuttujia mm.
• SDNN (ms), peräkkäisten RR-intervallien keskihajonta valitulta ajalta
• RMSSD (ms), perättäisten RR-intervallien erotuksen toisen potenssin
summan neliöjuuri
• pNN50 (%), suurempien kuin 50 ms RR-intervallien osuus prosentteina
• hyvä toistettavuus
• soveltuvat pitkiin mittausjaksoihin
terveurheilija.fi 17

18. Sykevariaatioanalyysit
Geometriset aikasarjamuuttujat
• SD1, vagaalinen variaatio
• SD2, kokonaisvariaatio
• laadulliset muutokset
• vähemmän tutkittu
Responses of the geometric indices of heart rate
variability to the active orthostatic test in women
de Abreu1et al. 2014.
terveurheilija.fi 18

19. Sykevariaation taajuusanalyysit
• Korkean taajuuden variaatio
(HFP, high frequency power, 0.15-0.4 Hz)
• vagaalisen aktiivisuuden säätelemä
• sisäänhengitettäessä vagaalisten hermosolujen inhibitio
• hengityksen taajuus ja syvyys vaikuttavat
• Matalan taajuuden variaatio
(LFP, low frequency power, 0.04-0.15)
• vagaalinen + sympaattinen aktiivisuus
• verenpaineen säätelymekanismit, baroreseptorirefleksit
• Erittäin matalan taajuuden variaatio
(VLFP, very low frequency power, alle 0.04 Hz)
• lämmön säätely, reniini-angiotensiini-aldosteroni-järjestelmä
terveurheilija.fi 19

20. Sykevariaation taajuusanalyysit
• toistettavuus hieman heikompi kuin aikasarja-analyyseissä
• vaativat stationaarisen signaalin ‒ vakioidut lepomittaukset
• käytetään myös ns. normalisoituina yksikköinä (nu);
ei kerro absoluuttista määrää vaan HF:LF suhteen
• Mistä kertoo? mukana sekä vagaalista että sympaattista säätelyä.
Kumpi muuttuu?
• eri menetelmiä mm.
• Fast Fourier Transform
• Autoregressive modeling
terveurheilija.fi 20

21. Sykevariaation taajuusanalyysit
Heart Rate Variability: Standards of Measurement,
Physiological Interpretation, and Clinical Use.
Circulation. 93(5):1043-1065, March 1, 1996.
Interval tachogram of 256
consecutive RR values in a
normal subject at
a) supine rest
b) head-up tilt
C-D) Autoregressive
modeling
E-F) Fast Fourier transform
terveurheilija.fi 21

22. Aikataajuusanalyysi
An example of RRI periods (top) and the computed spectrogram of one subject during an incremental exercise, using STFT
analysis. X-axis = time (s), Y-axis = frequency (Hz), Z-axis = power spectral density (PSD, ms2/Hz) (Cottin et al. 2006).
• taajuusanalyysi
liukuvana
keskiarvona
jokaiselle
mittauspisteelle
• soveltuu
vaihtelevan
signaalin
analyysiin, esim.
kuormituksesta
palautuminen
terveurheilija.fi 22

23. Aika-taajuusanalyysin vaiheita
Saalasti 2003. Neural networks for heart rate time series analysis. Studies in Computing, University of Jyväskylä. Dissertation.
Signaalin resamplaus =
”tasavälistäminen”…
Analyysi-ikkunan mallin ja pituuden
valinta…
Turhien taajuuksien pois
suodattaminen…
Artefaktojen
manuaalinen/automaattinen poisto
terveurheilija.fi 23

24. Sykevariaatio kuormittumisen
arvioinnissa
Uusitalo A. 2000
Suomen Lääkärilehti
Naisurheilija
normaalissa
harjoittelutilanteessa
HR 48 lnt/min
SDRR 82 ms
Naisurheilija
ylikuormittuneena
HR 47 lnt/min
SDRR 12 ms
terveurheilija.fi 24

25. • On herkempi muutoksille kuin esim. leposyke.
• Fyysinen ja psyykkinen kuormitus vähentää sykevariaatiota
levossa.
• Palautuminen yksittäisestä kuormittavasta
(kestävyys)harjoituksesta voi kestää 24‒48 tuntia.
• Harjoituksen intensiteetti on ensisijainen vaikuttava tekijä,
myös harjoituksen pituus jos teho n. 60‒70 % wmax (vrt. epoc).
• Harjoituskuormituksen erot voivat näkyä jo ensimmäisten
palautumisminuuttien aikana.
Sykevariaatio kuormittumisen
arvioinnissa
terveurheilija.fi 25

26. Ota huomioon toistomittauksissa…
• Time of the day
• Time of the year
• Testing environment; humidity, temperature, lightness
• Use of caffeine, alcohol, tobacco etc. substances
• Nutrition and previous meal
• Medication
• Actual health
• Menstrual cycle
• Training history
• Training volume and intensity during previous days
• Time interval to previous exercise
• Quality and quantity of sleep
• Stress level (psychological, social, economical)
• Methodological
• Posture
• Identical collection, transportation, storage and analyze protocol
• Others
• Changes in blood volume
• Changes in weight
Uusitalo 2000, The physician and sportsmedicine
terveurheilija.fi 26

27. Kestävyysharjoittelu ja HRV
• Suorituskyvyn ja lepo-HRV yhteys? Ristiriitaisia tuloksia.
• Ylikuormittuminen yleensä vähentää sykevariaatiota levossa.
• Suurempi lepo-HRV on usein yhteydessä suorituskyvyn
kehittymiseen.
• Harjoittelun ohjelmointi HRV-ohjatusti on tuonut hyviä tuloksia.
(Kiviniemi ym. 2007+2010, Plews ym. 2013, Vesterinen ym. 2016)
terveurheilija.fi 27

28. Kestävyysharjoittelu ja HRV
Vesterinen et al. 2016. Medicine & Science in Sports & Exercise. 48(7):1347-1354.
terveurheilija.fi 28

29. Voimaharjoittelu ja HRV
• On tutkittu vähemmän kuin kestävyysharjoittelua.
• Yleensä voimaharjoittelujaksoilla ei vaikutusta
sykevariaatioon levossa. (Cooke and Carter 2004,
Heffernan et al. 2007, Karavirta et al. 2009,
Kingsley and Figueroa 2016, Madden et al. 2006)
• Toteutus yleensä kohtalaisella kuormituksella,
2‒3 krt/vko.
• Kuormituksen teho on vaihteleva.
terveurheilija.fi 29

30. Teknologian uusia tuulia
• useita HRV-appseja markkinoilla
• bluetooth (erillinen sykevyö) tai puhelimen kamera
(fotopletysmografia)
terveurheilija.fi 30

31. Stressiä, terveyttä, suorituskykyä…
This App can show and record the HRV with a Polar H7
sensor (other BLE sensors may work?!). You can also
export the recorded intervals if you want to use other
software or export the values as CSV and build your own
evaluation. The app can show:
RMSSD, SDNN, SDSD, pNN50, SD1, SD2, Pulse,
Power of LF&HF-Band with FFT Livespectrum, ØLF-
& ØHF-Frequency and Poincaré-Plot
CardioMood provides a scientific approach to your heart rate variability analysis.
With HRV Lite you will be able to:
✓ Take measurements of your HRV with unlimited durations
✓ Estimate your average stress level (Bayevsky Stress Index)
✓ Calculate time-domain HRV parameters (mRR, SDNN, RMSSD, pNN50)
✓ Detect and eliminate ectopic beats
✓ Sync with the CardioMood cloud
Monitor your Heart Rate and improve your Cardiorespiratory Coherence
with the Breathing Guide.
REDUCE STRESS, IMPROVE PERFORMANCES, BE PREPARED FOR
ACTION
Slow breathing exercises, performed with a breathing cycle of 10s
(cardiorespiratory resonance frequency), have been shown to help reduce
stress, improve performances and make you feel more relaxed and ready
for action. But how do you know you are actually doing your breathing
exercise well?
With SweetBeat HRV, you can see your stress levels in real
time, giving you the ability to take action to reduce stress.
SweetBeat’s Relax screen prompts you with a deep breathing
screen that includes calming images. The monitor stats screen
more widely referred to as the “geek” screen, shows all the metrics
being measured.
HRV For Training:
In competitive sports, improved performance is often affected by
alternating periods of intensive training with periods of relative rest.
SweetBeat HRV measures HRV, an objective measure of your
body’s response to each workout and provides training
recommendations based on the morning reading.
terveurheilija.fi 31

32. Tutkimuksia taustalla
Validation of a New Heart Rate Measurement Algorithm for Fingertip Recording
of Video Signals with Smartphones. Telemed J E Health. 2016 Aug;22(8):631-6. doi:
10.1089/tmj.2015.0212.
Koenig N1, Seeck A2, Eckstein J3, Mainka A2, Huebner T2, Voss A1, Weber S4.
Heart rate variability assessment with fingertip photoplethysmography and polar RS800cx as
compared with electrocardiography in obese adolescents. Blood Press Monit. 2015 Dec;20(6):351-60. doi:
10.1097/MBP.0000000000000143.
Vasconcellos FV1, Seabra A, Cunha FA, Montenegro RA, Bouskela E, Farinatti P.
Interchangeability between heart rate and photoplethysmography variabilities during sympathetic
stimulations. Physiol Meas. 2009 Dec;30(12):1357-69. doi: 10.1088/0967-3334/30/12/005. Epub 2009 Oct 28.
Charlot K1, Cornolo J, Brugniaux JV, Richalet JP, Pichon A.
A comparison of photoplethysmography and ECG recording to analyse heart rate variability
in healthy subjects.
Lu G, Yang F, Taylor JA, Stein JF.
J Med Eng Technol. 2009;33(8):634-41. doi: 10.3109/03091900903150998.
Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2016 Aug;2016:2945-2949. doi: 10.1109/EMBC.2016.7591347.
Can PPG be used for HRV analysis?
Pinheiro N, Couceiro R, Henriques J, Muehlsteff J, Quintal I, Goncalves L, Carvalho P.
terveurheilija.fi 32

33. Kotiinvietäväksi…
• HRV on hyvä työkalu kokonaisvaltaisen
stressin/kuormittumisen seurantaan.
• Kuntotestaus ja kuormittumisen seuranta –
mahdollisuuksia!
• Herkkä muutoksille – vahvuus ja heikkous
• Menetelmien ja tulosten kriittinen arviointi,
löydöksen merkitys urheilijan arkeen? Vrt.
lillukanvarret
• Tiedä mitä mittaat!
terveurheilija.fi 33

34. Kotiinvietäväksi…
• Teknologia tuo mittaukset ”kaiken kansan ulottuville” –
mahdollisuuksia ja haasteita!
• Appseista saadaan parhaimmillaan lisäinfoa muun
kuormittumistiedon (tulokset, testit,
kontrolliharjoitukset, tuntemukset, valmentajan
silmä…) lisäksi.
• Perehdy kuitenkin taustoihin, sekä urheilijan että
mittarien.
terveurheilija.fi 34

35. KIITOS!
35terveurheilija.fi