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递增负荷运动时肌氧含量的相对变化与摄氧量的关系研究


递增负荷运动时肌氧含量的相对变化与摄氧量的关系研究 —可视化生物医学测量技术在体育运动领域中的应用 可视化生物医学测量技术在体育运动领域中的应用
沈友青 1 徐国栋 (武汉体育学院,武汉,430079) 摘要: 摘要:近红外光谱学(Near-Infrared Spectroscopy , NIRS)技术是一种新型的生物 信息检测技术,具有无损、连续、实时的检测特点,且与

计算机技术相结合能实现生物信息 采集的可视化, 其在体育运动领域中的应用还处于起步阶段。 针对目前运动训练和医务监督 中诸多生理生化指针检测存在的不足,希望通过该项技术的应用能够避免存在的检测弊端。 本研究选择了其中一个生理指针── ──摄氧量, 肌氧含量和摄氧量均是与氧代谢密切相关的检 ── 测指针, 其变化可以反映机体氧供应和氧消耗的动力学过程。 为研究运动过程中肌氧含量的 相对变化和摄氧量的关系, 5 名优秀赛艇运动员在赛艇测功仪上进行递增强度运动。 让 在运 动过程中,应用近红外光谱技术(NIRS)检测氧合血红蛋白和还原血红蛋白的相对变化(即 Δ[HbO2]和Δ[Hb]),同时,采用 MAX-Ⅱ心肺功能仪检测摄氧量的变化。氧合血红蛋白的相 对变化可以反映肌肉在运动过程中的氧含量的变化。结果发现: (1)递增强度运动时,HbO2 对光的反射随着运动强度的递增而呈下降趋势,Δ[HbO2]随着运动强度的递增而逐渐减少, (2)摄氧量随着运动强度的加大而提高,其变化与 HbO2 表现出高 Hb 变化与 HbO2 变化相反; 度相关性。结果表明,采用 NIRS 技术可以无损、连续、实时检测运动过程中局部肌肉氧供 应和氧消耗的动态变化, 可以间接反映全身氧代谢的动力学变化, 从而为检测运动员机能变 化提供一种新的应用技术。运用到运动实践中,可以科学地掌握机体代谢状况的变化,控制 训练强度,评价训练的效果。基于这些优点,有望取代繁琐的、有损的一些生理生化检测手 段。 关键词: 关键词:近红外光谱技术;可视化;肌氧含量;摄氧量

1 前言
生命科学永远是人类最重要的科学研究领域, 而生物医学测量及其应用已成为了人类认 识生命活动的基础。 现代生物研究技术日新月异, 其中光电子技术和人工智能技术的完美结 合实现了人体生物信息采集的可视化。 该技术以它的广泛性和实用性, 正在席卷着各个领域 [1] 。近年来,生物医学技术在体育运动领域中的应用逐渐被重视起来。实践证明,体育运动 与生物医学两个不同学科存在着许多相互交叉的领域和结合点,两者相互促进。 随着竞技体育的迅猛发展,各种生理生化指针(如血乳酸、摄氧量等)在运动训练和医 务监督中的检测与应用越来越受到重视,但许多指针的检测存在以下弊端,如有损伤;实验 设备昂贵,操作过程复杂;测试需要在实验室完成,无法在训练和比赛现场进行;而且,部 分指针的采集和检测存在滞后的现象。 多年来,体育科研工作者一直在寻找一种行之有效的检测手段。20 世纪 90 年代迅速发 展起来的一种新型的应用技术── ──近红外光谱学(Near-Infrared Spectroscopy , NIRS) ── 技术受到广泛关注。该技术具有无创、连续、实时的检测特点,且与计算机技术相结合能实 现生物信息采集的可视化。NIRS 技术在检测骨骼肌局部氧合血红蛋白和还原血红蛋白的相 对变化(即Δ[HbO2]和Δ[Hb])方面倍受青睐。NIRS 利用与氧代谢密切相关的生物组织中的 生色团,如血液中的氧合血红蛋白(HbO2)与氧合肌红蛋白(MbO2) 、还原血红蛋白(Hb)
1

作者: ,运动医学在读研究生,武汉体育学院(430079),运动解剖教研室 作者:沈友青(1978-) 电话 : 027-62702923 13006175557 电子邮箱: shenyouqing104@yahoo.com.cn

与还原肌红蛋白(Mb)等,在不同状态下表现出不同光吸收谱的原理,来直接测定目标生 物组织中的氧含量和血红蛋白与肌红蛋白动力学变化, 它能反映局部组织中氧消耗和氧供应 [2] 的变化 。研究证明,该技术能用于反映运动时机体组织的氧化代谢状况,从而为无损伤性 检测肌肉组织的供氧状况提供了一种新的途径[3] [4] [5] [6]。本研究中采用 NIRS 技术检测运动 员在递增负荷运动时肌氧含量的相对变化,同步检测相关气体代谢参数(如摄氧量 O2)的 变化,并进行相关分析,以期进一步了解两者之间的变化规律,从而为 NIRS 这种可视化的 技术在体育运动中的应用提供理论与实践依据。

2 实验对象和方法
2.1 实验对象 14 名志愿受试者为武汉体育学院赛艇运动员 14 名,男性,平均年龄 17±1.5 岁,平均身 高 184.6±1.7cm,平均体重 69.2±2.3kg,经常规体检未发现异常。告知受试者及教练员实验 内容、目的及意义。 2.2 实验仪器 近红外肌氧检测仪 采用连续波三波长近红外检测系统(由华中科技大学生物医学光 子研究所研制) ,波长分别为 735nm、805nm 和 850nm。仪器由主单元和光探头组成,并研 制了与计算机端口相联的数字化接口, 采用相应的软件来实现信号的数据采集、 存储、 分析、 显示(如图 1) 。
光源 12位并行 位并行A 探头 信号处理电路 12位并行A/D 单片机
MAX 199

LED OPT101 放大 滤波

电平转换
RS232串 RS232串 232 行接口

探头驱动接口

逻辑时序控制部分

电源电路






图1


NIRS 系统的工作流程

接 收 模 块

此外, 还采用了 MAX-Ⅱ心肺功能仪 (美国) Polar 遥测心率表 , (芬兰) 以及 CONCEPTⅡ赛艇专项测功仪(德国) 。 2.3 实验方案 选择赛艇运动员运动过程中发力最大的主动肌──股四头肌作为检测点, 将光探头固定 于右侧股外侧肌的肌腹中段, 探头与肌肉的纵轴保持平行且与皮肤保持良好的接触。 采用一 薄透明塑料薄膜保护好检测器以防止汗水浸润。用弹力绷带固定检测器,松紧适度,既要防 止漏光和运动时光源移动,又要避免造成局部阻断性缺血。 受试者在赛艇测功仪上进行递增负荷运动,起始负荷为 180W,以每级 40W 的强度递 增,每级负荷持续时间为 3 分钟,运动至力竭。运动过程中,检测肌氧含量以及摄氧量( O2)的变化。

3 实验结果
如图 2 所示,红色波型代表 NIRS 在 760nm 处光吸收谱的变化,主要反映被检测肌肉中 HbO2 与 MbO2

的变化趋势。在进行递增强度运动时,肌肉中 HbO2 与 MbO2 下降,而 Hb 与 Mb 含量逐渐 上升, 且两者的变化幅度随运动强度的递增而呈现出等级性变化。 由于肌红蛋白与氧结合的 能力极强, 在运动过程中相对与血红蛋白变化小, 且肌红蛋白本身在近红外吸收光谱中的贡 献率只占 25%,所以吸收谱的变化主要由血红蛋白引起。下文用 HbO2 代表 HbO2 与 MbO2 的总体效应,用 Hb 代表 Hb 与 Mb 的变化。由图可知,在每级负荷的保持阶段,肌氧的变 化幅度较小,即在保持同一强度运动的过程中 HbO2 与 Hb 的相对变化较小,如第 1 分钟至 第 3 分钟。 摄氧量随着运动强度的加大而上升, 其与 HbO2 下降相似 (如表 1) 进行线性回归分析, 。 每级强度末摄氧量上升曲线与 HbO2 下降曲线高度相关 (如图 3 所示) ,相关系数γ=-0.982。

表 1 5 名运动员每级强度末 △[HbO2]与 与 强度末 △ [HbO2] O2 平均值
VO2(ml/mim)

6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 VO2(ml/min) ) HbO2(μ mol/l)

O2 (ml/min)

(μmol/l)

180W 220W 260W 300W 340W

-240 -280 -319 -366 -420

2616 3517 4011 4548 5021

3
图 3 末

6

9
time(min)

12

15

5 名运动员在每级运动强度 O2 与 HbO2 关系曲线

当 O2 达到最高水平时,即为最大摄氧量( O2 max) 。到达 O2 max 时摄氧量出现平台, 此时摄氧量不再随负荷的增加而大幅度上升,如图 4 所示,第十二分半钟到第十五分钟,摄 氧量的变化小于 150ml/min,此时结合心率和呼吸商的变化,可以判断为 O2 max。

concentration(μmol/l)

-450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0

VO2(ml/min))

6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
00:30 01:30 02:30 03:30 04:30 05:30 06:30 07:30 08:30 09:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30

VO2(ml/min)

time(min)

图 4 一名运动员

O2 变化曲线

4 分析与讨论
人体从安静状态开始运动时, 血液循环和呼吸系统都将发生一系列变化以适应增高的机 体代谢的需要。当机体能量消耗持续增加时,耗氧量会发生相应变化,组织氧含量和血容量 也会产生相应变化[7]。在肌肉组织中,氧的载体主要是存在于动静脉血管、毛细血管中的血 红蛋白和存在于肌细胞中的肌红蛋白。NIRS 的信号来源主要是小血管,如毛细血管、微动 脉与微静脉血管网中的血红蛋白。 该检测技术通过捕捉在运动过程中变化较大的携氧生色团 ──血红蛋白的相对变化, 并较直观地反映出来。 通过这种变化可以了解运动过程中各个阶 段氧消耗的动力学过程和能量代谢规律。 在静止时,肌肉本身含有一定量的氧。当进入一定强度的运动时,能量物质 ATP、CP 迅速被消耗掉,组织需要更多的氧用来产生维持运动的能量。此时,肌肉组织脱氧,使肌氧 含量的百分比下降。通过图谱表现出来的是,Δ[HbO2]下降,即携氧的血红蛋白浓度降低, 其对近红外光的反射减弱,因而Δ[HbO2]曲线呈现下降趋势。同时,体内还原血红蛋白浓度 增加,对光的反射增强,Δ[Hb]曲线上升。在低强度运动时,消耗的氧气主要用来进行有氧 氧化产生 ATP 供能。运动肌主要动用红肌纤维。由于红肌纤维含氧量较丰富,此时肌氧下 降比较缓慢。当运动强度逐渐增加时,红肌纤维中的氧被消耗,开始动用白肌纤维,机体内 代谢产物(如乳酸)开始迅速增加,肌肉组织大量耗氧,[HbO2]较前下降迅速。耗氧一方面 消除组织内代谢产物, 另一方面仍在进行能量恢复以便保持更大运动强度的需要。 研究中还 发现,在保持同一强度运动的过程中,肌氧含量下降缓慢。分析认为这是机体存在的一种自 我调节机制,体内暂时达到氧供应和氧消耗的一种动态平衡状态。 由呼吸系统吸入的氧气经由肺部毛细血管的气体交换、 血液中血红蛋白对氧气的运输以 及与肌肉组织的气体交换最终到达肌细胞。 摄氧量是由肺泡腔扩散入肺毛细血管, 并供给人 体实际消耗或利用的氧量[5]。人体需氧量取决于生理机能状态。安静时,每分摄氧量与需氧 量是平衡的。当运动强度加大时,需氧量相应改变。运动时氧气由研究认为摄氧量的限制因 素主要有肺的扩散能力、心输出量、血液的载氧能力和骨骼肌利用氧的能力,所以它反映的 是全身各个系统的整体机能能力[8]。在本研究中实验结果显示,反映局部肌肉氧含量的指针 Δ[HbO2]与摄氧量成高度相关性, 也就是说,肌肉消耗氧气或利用氧气的能力决定了摄氧量 水平的高低。但就个体而言,不同运动员的相对耗氧量和Δ[HbO2]下降的成度有所不同。本 研究中选用体积最大的股四头肌作为检测点, 且股四头肌在赛艇运动员运动过程中充当主动 肌,从心输出量的血流分配来说,其得到的血流比例大大增加,耗氧量也是运动过程中最主 要的组成部分, 所以此时局部氧供应和氧消耗可以间接反映全身氧代谢的动力学变化。 达到 最大摄氧量( O2 max)时的肌氧消耗水平,可以反映运动员极量运动时骨骼肌代谢状况, 从而反映出被检测工作能力的强弱。这为运动员的选材、运动训练的监控提供一定的依据。 NIRS 技术和 O2 的检测同属于生物信息检测可视化的范畴,但 O2 的检测存在以下不

足:实验仪器体积大,设备昂贵;操作过程复杂;测试需要在实验室完成,无法在训练和比 赛现场操作;而且,对呼出气和吸入气的采集和检测存在滞后的现象。而 NIRS 技术可以较 好地避免这些不足,该检测设备具有体积小、重量轻、便于携带、操作简便、性能稳定等特 点,可以无损、连续、实时地获取人体生物信息,检测可以在运动员实际训练和比赛过程中 进行,满足了教练员、运动员以及医务人员随身携带和远距离检测的需求,运用到运动实践 中。可以科学地掌握机体代谢状况的变化,控制训练强度,评价训练的效果。

5 结论
肌氧含量和摄氧量均是与氧代谢密切相关的检测指针, 其变化可以反映机体氧供应和氧 消耗的动力学过程。NIRS 作为一种无损、连续、实时、便捷的检测手段,可以对机体实际 能量消耗和氧化代谢过程进行动态实时检测。基于这些优点,有望取代繁琐的、有损的一些 生理生化检测手段。NIRS 技术是一种新型的可视化生物信息检测技术,其在体育运动领域 中具有广阔的应用前景。

参考资料: 参考资料:
[1] 王保华等..生物医学测量与仪器[M].复旦大学出版社,2003.21-23. [2] 刘方,骆清铭等.基于 RF 无线数据传输技术的近红外血氧监测仪的研制[J].中国医疗器械杂志,2003, 27(3) :162-165. [3] Takafumi Hamaoka, Britton Chance et 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. Appl. Physiol.80:1279-1284,1996. [6] Mireille C.P. ,Willy N.I. et al. Performance of near-infrared spectroscopy in measuring local O2 consumption and blood flow in skeletal muscle. J. Appl. Physiol.90:511-519,2001. [7] 田野. 运动生理学高级教程[M]. 北京:高等教育出版社,2003. [8] 杨锡让.实用运动生理学[M].北京:北京体育大学出版社,2003.


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