遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)時(shí)肌氧含量的相對(duì)變化與攝氧量的關(guān)系研究

1、遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)時(shí)肌氧含量的相對(duì)變化與攝氧量的關(guān)系研究可視化生物醫(yī)學(xué)測(cè)量技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用沈友青1作者：沈友青（1978-），運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)在讀研究生，武漢體育學(xué)院(430079)，運(yùn)動(dòng)解剖教研室電話 ：13006175557 電子郵箱： shenyouqing104 徐國棟（武漢體育學(xué)院，武漢，430079）摘要：近紅外光譜學(xué)（Near-Infrared Spectroscopy , NIRS）技術(shù)是一種新型的生物信息檢測(cè)技術(shù)，具有無損、連續(xù)、實(shí)時(shí)的檢測(cè)特點(diǎn)，且與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合能實(shí)現(xiàn)生物信息采集的可視化，其在體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用還處于起步階段。針對(duì)目前運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和醫(yī)

2、務(wù)監(jiān)督中諸多生理生化指針檢測(cè)存在的不足，希望通過該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用能夠避免存在的檢測(cè)弊端。本研究選擇了其中一個(gè)生理指針攝氧量，肌氧含量和攝氧量均是與氧代謝密切相關(guān)的檢測(cè)指針，其變化可以反映機(jī)體氧供應(yīng)和氧消耗的動(dòng)力學(xué)過程。為研究運(yùn)動(dòng)過程中肌氧含量的相對(duì)變化和攝氧量的關(guān)系，讓5名優(yōu)秀賽艇運(yùn)動(dòng)員在賽艇測(cè)功儀上進(jìn)行遞增強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)（NIRS）檢測(cè)氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的相對(duì)變化(即HbO2和Hb)，同時(shí)，采用MAX-心肺功能儀檢測(cè)攝氧量的變化。氧合血紅蛋白的相對(duì)變化可以反映肌肉在運(yùn)動(dòng)過程中的氧含量的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）遞增強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，HbO2對(duì)光的反射隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的遞增

3、而呈下降趨勢(shì)，HbO2隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的遞增而逐漸減少，Hb變化與HbO2變化相反；（2）攝氧量隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的加大而提高，其變化與HbO2表現(xiàn)出高度相關(guān)性。結(jié)果表明，采用NIRS技術(shù)可以無損、連續(xù)、實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)過程中局部肌肉氧供應(yīng)和氧消耗的動(dòng)態(tài)變化，可以間接反映全身氧代謝的動(dòng)力學(xué)變化，從而為檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員機(jī)能變化提供一種新的應(yīng)用技術(shù)。運(yùn)用到運(yùn)動(dòng)實(shí)踐中，可以科學(xué)地掌握機(jī)體代謝狀況的變化，控制訓(xùn)練強(qiáng)度，評(píng)價(jià)訓(xùn)練的效果?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，有望取代繁瑣的、有損的一些生理生化檢測(cè)手段。關(guān)鍵詞：近紅外光譜技術(shù)；可視化；肌氧含量；攝氧量1前言生命科學(xué)永遠(yuǎn)是人類最重要的科學(xué)研究領(lǐng)域，而生物醫(yī)學(xué)測(cè)量及其應(yīng)用已成為了人類認(rèn)識(shí)

4、生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。現(xiàn)代生物研究技術(shù)日新月異，其中光電子技術(shù)和人工智能技術(shù)的完美結(jié)合實(shí)現(xiàn)了人體生物信息采集的可視化。該技術(shù)以它的廣泛性和實(shí)用性，正在席卷著各個(gè)領(lǐng)域1。近年來，生物醫(yī)學(xué)技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸被重視起來。實(shí)踐證明，體育運(yùn)動(dòng)與生物醫(yī)學(xué)兩個(gè)不同學(xué)科存在著許多相互交叉的領(lǐng)域和結(jié)合點(diǎn)，兩者相互促進(jìn)。隨著競技體育的迅猛發(fā)展，各種生理生化指針（如血乳酸、攝氧量等）在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和醫(yī)務(wù)監(jiān)督中的檢測(cè)與應(yīng)用越來越受到重視，但許多指針的檢測(cè)存在以下弊端，如有損傷；實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，操作過程復(fù)雜；測(cè)試需要在實(shí)驗(yàn)室完成，無法在訓(xùn)練和比賽現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行；而且，部分指針的采集和檢測(cè)存在滯后的現(xiàn)象。多年來，體育科研工作者

5、一直在尋找一種行之有效的檢測(cè)手段。20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一種新型的應(yīng)用技術(shù)近紅外光譜學(xué)（Near-Infrared Spectroscopy , NIRS）技術(shù)受到廣泛關(guān)注。該技術(shù)具有無創(chuàng)、連續(xù)、實(shí)時(shí)的檢測(cè)特點(diǎn)，且與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合能實(shí)現(xiàn)生物信息采集的可視化。NIRS技術(shù)在檢測(cè)骨骼肌局部氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的相對(duì)變化(即HbO2和Hb)方面倍受青睞。NIRS利用與氧代謝密切相關(guān)的生物組織中的生色團(tuán)，如血液中的氧合血紅蛋白（HbO2）與氧合肌紅蛋白（MbO2）、還原血紅蛋白（Hb）與還原肌紅蛋白（Mb）等，在不同狀態(tài)下表現(xiàn)出不同光吸收譜的原理，來直接測(cè)定目標(biāo)生物組織中的氧含量和血紅

6、蛋白與肌紅蛋白動(dòng)力學(xué)變化，它能反映局部組織中氧消耗和氧供應(yīng)的變化2。研究證明，該技術(shù)能用于反映運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)體組織的氧化代謝狀況，從而為無損傷性檢測(cè)肌肉組織的供氧狀況提供了一種新的途徑3 4 5 6。本研究中采用NIRS技術(shù)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員在遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)時(shí)肌氧含量的相對(duì)變化，同步檢測(cè)相關(guān)氣體代謝參數(shù)（如攝氧量O2）的變化，并進(jìn)行相關(guān)分析，以期進(jìn)一步了解兩者之間的變化規(guī)律，從而為NIRS這種可視化的技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用提供理論與實(shí)踐依據(jù)。2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象和方法2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象14名志愿受試者為武漢體育學(xué)院賽艇運(yùn)動(dòng)員14名，男性，平均年齡17±1.5歲，平均身高184.6±1.7cm，平均體

7、重69.2±2.3kg，經(jīng)常規(guī)體檢未發(fā)現(xiàn)異常。告知受試者及教練員實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、目的及意義。2.2 實(shí)驗(yàn)儀器近紅外肌氧檢測(cè)儀 采用連續(xù)波三波長近紅外檢測(cè)系統(tǒng)（由華中科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)光子研究所研制），波長分別為735nm、805nm和850nm。儀器由主單元和光探頭組成，并研制了與計(jì)算機(jī)端口相聯(lián)的數(shù)字化接口，采用相應(yīng)的軟件來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、顯示（如圖1）。圖1 NIRS系統(tǒng)的工作流程此外，還采用了MAX-心肺功能儀（美國），Polar遙測(cè)心率表（芬蘭）以及CONCEPT-賽艇專項(xiàng)測(cè)功儀（德國）。2.3實(shí)驗(yàn)方案選擇賽艇運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)力最大的主動(dòng)肌股四頭肌作為檢測(cè)點(diǎn)，將光探頭

8、固定于右側(cè)股外側(cè)肌的肌腹中段，探頭與肌肉的縱軸保持平行且與皮膚保持良好的接觸。采用一薄透明塑料薄膜保護(hù)好檢測(cè)器以防止汗水浸潤。用彈力繃帶固定檢測(cè)器，松緊適度，既要防止漏光和運(yùn)動(dòng)時(shí)光源移動(dòng)，又要避免造成局部阻斷性缺血。受試者在賽艇測(cè)功儀上進(jìn)行遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)，起始負(fù)荷為180W，以每級(jí)40W的強(qiáng)度遞增，每級(jí)負(fù)荷持續(xù)時(shí)間為3分鐘，運(yùn)動(dòng)至力竭。運(yùn)動(dòng)過程中，檢測(cè)肌氧含量以及攝氧量（O2）的變化。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，紅色波型代表NIRS在760nm處光吸收譜的變化，主要反映被檢測(cè)肌肉中HbO2與MbO2圖2 一名賽艇運(yùn)動(dòng)員在遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)時(shí)，HbO2與Hb相對(duì)變化曲線的變化趨勢(shì)。在進(jìn)行遞增強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，肌肉

9、中HbO2與MbO2下降，而Hb與Mb含量逐漸上升，且兩者的變化幅度隨運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的遞增而呈現(xiàn)出等級(jí)性變化。由于肌紅蛋白與氧結(jié)合的能力極強(qiáng)，在運(yùn)動(dòng)過程中相對(duì)與血紅蛋白變化小，且肌紅蛋白本身在近紅外吸收光譜中的貢獻(xiàn)率只占25，所以吸收譜的變化主要由血紅蛋白引起。下文用HbO2代表HbO2與MbO2的總體效應(yīng)，用Hb代表Hb與Mb的變化。由圖可知，在每級(jí)負(fù)荷的保持階段，肌氧的變化幅度較小，即在保持同一強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的過程中HbO2與Hb的相對(duì)變化較小，如第1分鐘至第3分鐘。攝氧量隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的加大而上升，其與HbO2下降相似（如表1）。進(jìn)行線性回歸分析，每級(jí)強(qiáng)度末攝氧量上升曲線與HbO2下降曲線高度相關(guān)（如

10、圖3所示）,相關(guān)系數(shù)-0.982。圖3 5名運(yùn)動(dòng)員在每級(jí)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度末O2與HbO2關(guān)系曲線表1 5名運(yùn)動(dòng)員每級(jí)強(qiáng)度末HbO2與 O2平均值 強(qiáng)度末 HbO2 (mol/l)O2 (ml/min)180W-2402616220W-2803517260W-3194011300W-3664548340W-4205021當(dāng)O2達(dá)到最高水平時(shí)，即為最大攝氧量（O2 max）。到達(dá)O2 max時(shí)攝氧量出現(xiàn)平臺(tái)，此時(shí)攝氧量不再隨負(fù)荷的增加而大幅度上升，如圖4所示，第十二分半鐘到第十五分鐘，攝氧量的變化小于150ml/min，此時(shí)結(jié)合心率和呼吸商的變化，可以判斷為O2 max。圖4 一名運(yùn)動(dòng)員O2變化曲線4 分

11、析與討論人體從安靜狀態(tài)開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，血液循環(huán)和呼吸系統(tǒng)都將發(fā)生一系列變化以適應(yīng)增高的機(jī)體代謝的需要。當(dāng)機(jī)體能量消耗持續(xù)增加時(shí)，耗氧量會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，組織氧含量和血容量也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化7。在肌肉組織中，氧的載體主要是存在于動(dòng)靜脈血管、毛細(xì)血管中的血紅蛋白和存在于肌細(xì)胞中的肌紅蛋白。NIRS的信號(hào)來源主要是小血管，如毛細(xì)血管、微動(dòng)脈與微靜脈血管網(wǎng)中的血紅蛋白。該檢測(cè)技術(shù)通過捕捉在運(yùn)動(dòng)過程中變化較大的攜氧生色團(tuán)血紅蛋白的相對(duì)變化，并較直觀地反映出來。通過這種變化可以了解運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)階段氧消耗的動(dòng)力學(xué)過程和能量代謝規(guī)律。在靜止時(shí)，肌肉本身含有一定量的氧。當(dāng)進(jìn)入一定強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)時(shí)，能量物質(zhì)ATP、CP迅速

12、被消耗掉，組織需要更多的氧用來產(chǎn)生維持運(yùn)動(dòng)的能量。此時(shí)，肌肉組織脫氧，使肌氧含量的百分比下降。通過圖譜表現(xiàn)出來的是，HbO2下降，即攜氧的血紅蛋白濃度降低，其對(duì)近紅外光的反射減弱，因而HbO2曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。同時(shí)，體內(nèi)還原血紅蛋白濃度增加，對(duì)光的反射增強(qiáng)，Hb曲線上升。在低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，消耗的氧氣主要用來進(jìn)行有氧氧化產(chǎn)生ATP供能。運(yùn)動(dòng)肌主要?jiǎng)佑眉t肌纖維。由于紅肌纖維含氧量較豐富，此時(shí)肌氧下降比較緩慢。當(dāng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度逐漸增加時(shí)，紅肌纖維中的氧被消耗，開始動(dòng)用白肌纖維，機(jī)體內(nèi)代謝產(chǎn)物（如乳酸）開始迅速增加，肌肉組織大量耗氧，HbO2較前下降迅速。耗氧一方面消除組織內(nèi)代謝產(chǎn)物，另一方面仍在進(jìn)行能量恢復(fù)

13、以便保持更大運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的需要。研究中還發(fā)現(xiàn)，在保持同一強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的過程中，肌氧含量下降緩慢。分析認(rèn)為這是機(jī)體存在的一種自我調(diào)節(jié)機(jī)制，體內(nèi)暫時(shí)達(dá)到氧供應(yīng)和氧消耗的一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。由呼吸系統(tǒng)吸入的氧氣經(jīng)由肺部毛細(xì)血管的氣體交換、血液中血紅蛋白對(duì)氧氣的運(yùn)輸以及與肌肉組織的氣體交換最終到達(dá)肌細(xì)胞。攝氧量是由肺泡腔擴(kuò)散入肺毛細(xì)血管，并供給人體實(shí)際消耗或利用的氧量5。人體需氧量取決于生理機(jī)能狀態(tài)。安靜時(shí)，每分?jǐn)z氧量與需氧量是平衡的。當(dāng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度加大時(shí)，需氧量相應(yīng)改變。運(yùn)動(dòng)時(shí)氧氣由研究認(rèn)為攝氧量的限制因素主要有肺的擴(kuò)散能力、心輸出量、血液的載氧能力和骨骼肌利用氧的能力，所以它反映的是全身各個(gè)系統(tǒng)的整體機(jī)能能力8

14、。在本研究中實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，反映局部肌肉氧含量的指針HbO2與攝氧量成高度相關(guān)性，也就是說，肌肉消耗氧氣或利用氧氣的能力決定了攝氧量水平的高低。但就個(gè)體而言，不同運(yùn)動(dòng)員的相對(duì)耗氧量和HbO2下降的成度有所不同。本研究中選用體積最大的股四頭肌作為檢測(cè)點(diǎn)，且股四頭肌在賽艇運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過程中充當(dāng)主動(dòng)肌，從心輸出量的血流分配來說，其得到的血流比例大大增加，耗氧量也是運(yùn)動(dòng)過程中最主要的組成部分，所以此時(shí)局部氧供應(yīng)和氧消耗可以間接反映全身氧代謝的動(dòng)力學(xué)變化。達(dá)到最大攝氧量（O2 max）時(shí)的肌氧消耗水平，可以反映運(yùn)動(dòng)員極量運(yùn)動(dòng)時(shí)骨骼肌代謝狀況，從而反映出被檢測(cè)工作能力的強(qiáng)弱。這為運(yùn)動(dòng)員的選材、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的監(jiān)控提

15、供一定的依據(jù)。NIRS技術(shù)和O2的檢測(cè)同屬于生物信息檢測(cè)可視化的范疇，但O2的檢測(cè)存在以下不足：實(shí)驗(yàn)儀器體積大，設(shè)備昂貴；操作過程復(fù)雜；測(cè)試需要在實(shí)驗(yàn)室完成，無法在訓(xùn)練和比賽現(xiàn)場(chǎng)操作；而且，對(duì)呼出氣和吸入氣的采集和檢測(cè)存在滯后的現(xiàn)象。而NIRS技術(shù)可以較好地避免這些不足，該檢測(cè)設(shè)備具有體積小、重量輕、便于攜帶、操作簡便、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，可以無損、連續(xù)、實(shí)時(shí)地獲取人體生物信息，檢測(cè)可以在運(yùn)動(dòng)員實(shí)際訓(xùn)練和比賽過程中進(jìn)行，滿足了教練員、運(yùn)動(dòng)員以及醫(yī)務(wù)人員隨身攜帶和遠(yuǎn)距離檢測(cè)的需求，運(yùn)用到運(yùn)動(dòng)實(shí)踐中?？梢钥茖W(xué)地掌握機(jī)體代謝狀況的變化，控制訓(xùn)練強(qiáng)度，評(píng)價(jià)訓(xùn)練的效果。5 結(jié)論肌氧含量和攝氧量均是與氧代謝密

16、切相關(guān)的檢測(cè)指針，其變化可以反映機(jī)體氧供應(yīng)和氧消耗的動(dòng)力學(xué)過程。NIRS作為一種無損、連續(xù)、實(shí)時(shí)、便捷的檢測(cè)手段，可以對(duì)機(jī)體實(shí)際能量消耗和氧化代謝過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，有望取代繁瑣的、有損的一些生理生化檢測(cè)手段。NIRS技術(shù)是一種新型的可視化生物信息檢測(cè)技術(shù)，其在體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。參考資料：1 王保華等.生物醫(yī)學(xué)測(cè)量與儀器M.復(fù)旦大學(xué)出版社，2003.21-23.2 劉方，駱清銘等.基于RF無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的近紅外血氧監(jiān)測(cè)儀的研制J.中國醫(yī)療器械雜志，2003，27（3）：162-165.3 Takafumi Hamaoka, Britton Chance et

17、al.Noninvasive measures of oxidatuve metabolism on working human muscles by near-infrared spectroscopy. J. Appl. Physiol.81:1410-1417,1996.4 Donna M. Mancini, Britton Chance et al.Validation of near-infrared spectroscopy in humans.J. Appl. Physiol.77:2740-2747,1994.5 Sachiko Homma,Hideo Eda et al.Near-infrared estimation of O2 supply and consumption in forearm muscles working at varying intensity. J. App