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

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)用摘要：近紅外光譜學(xué)（Near-InfraredSpectroscopy,NIRS）技術(shù)是一種新型的生物信息檢測(cè)技術(shù)，具有無(wú)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)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(guò)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(guò)程。為研究運(yùn)動(dòng)過(guò)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(guò)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Δ[HbO2]和Δ[Hb])，同時(shí)，采用MAX-Ⅱ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(guò)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)度的遞增而呈下降趨勢(shì)，Δ[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(wú)損、連續(xù)、實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)過(guò)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)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(lái)，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(lái)。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(jìng)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(lái)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(guò)程復(fù)雜；測(cè)試需要在實(shí)驗(yàn)室完成，無(wú)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(lái)，體育科研工作者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(lái)的一種新型的應(yīng)用技術(shù)──近紅外光譜學(xué)（Near-InfraredSpectroscopy,NIRS）技術(shù)受到廣泛關(guān)注。該技術(shù)具有無(wú)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Δ[HbO2]和Δ[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(lái)直接測(cè)定目標(biāo)生物組織中的氧含量和血紅蛋白與肌紅蛋白動(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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)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1NIRS系統(tǒng)的工作流程此外，還采用了MAX-Ⅱ心肺功能儀（美國(guó)），Polar遙測(cè)心率表（芬蘭）以及CONCEPT-Ⅱ賽艇專項(xiàng)測(cè)功儀（德國(guó)）。2.3實(shí)驗(yàn)方案選擇賽艇運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過(guò)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(rùn)。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(guò)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)變化曲線足：實(shí)驗(yàn)儀器體積大，設(shè)備昂貴；操作過(guò)程復(fù)雜；測(cè)試需要在實(shí)驗(yàn)室完成，無(wú)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(jiǎn)便、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，可以無(wú)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(guò)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。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。5結(jié)論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(guò)程。NIRS作為一種無(wú)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(guò)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(wú)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(guó)醫(yī)療器械雜志，2003，27（3）：162-165.[3]TakafumiHamaoka,BrittonChanceetal.Noninvasivemeasuresofoxidatuvemetabolismonworkinghumanmusclesbynear-infraredspectroscopy.J.Appl.Physiol.81:1410-1417,1996.[4]DonnaM.Mancini,BrittonChanceetal.Validationofnear-infraredspectroscopyinhumans.J.Appl.Physiol.77:2740-2747,1994.[5]SachikoHomma,HideoEdaetal.Near-infraredestimationofO2supplyandconsumptioninforearmmusclesworkingatvaryingintensity.J.Appl.Physiol.80:1279-1284,1996.[6]MireilleC.P.,WillyN.I.etal. Performanceofnear-infraredspectroscopy