余健凡

(蘇州大學(xué) 體育學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

1 前言

在生物醫(yī)學(xué)的光子學(xué)領(lǐng)域中近紅外光譜測定技術(shù)是一個非常重要的內(nèi)容,這個技術(shù)可以不間斷、及時、靈敏并且沒有損傷地檢測出肌肉中的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白含量的變化(周超彥2005 )。此種技術(shù)使機體肌肉內(nèi)氧的攝取與利用過程可以通過沒有外傷的方法進(jìn)行測定,用一種全新的方法監(jiān)控著機體在運動狀態(tài)下骨骼肌的氧供狀態(tài)。

在競技體育發(fā)展迅速的大背景下，體育運動中常用的各種理化指標(biāo)(如乳酸閾、最大攝氧量等)越來越多地在運動訓(xùn)練和科學(xué)監(jiān)督的檢測與應(yīng)用中被重視起來，但許多檢測的指標(biāo)仍存在缺陷，如有侵襲、實驗設(shè)備昂貴、操作過程復(fù)雜等。除此之外，部分指標(biāo)的采集和檢測會存在延遲現(xiàn)象。這樣一來就可以用一種新的方法在無創(chuàng)傷的條件下對運動中肌肉組織氧含量變化進(jìn)行檢測(王國祥 等，2003)。在了解運動過程中人體的機能情況,科學(xué)地進(jìn)行運動訓(xùn)練或?qū)τ?xùn)練效果進(jìn)行評價時，檢測運動時機體肌肉內(nèi)氧供給與氧消耗的狀況有著重要的借鑒價值。現(xiàn)今，對于運動中肌肉組織氧含量與運動水平之間關(guān)系的研究非常熱門。本實驗的研究目的在于觀察肌氧變化與運動負(fù)荷及系統(tǒng)參數(shù)攝氧量的關(guān)系，從而找到一個新的評價運動水平的指標(biāo)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

研究對象納入標(biāo)準(zhǔn)如下：1)19～22歲成年女性，BMI指數(shù)在18.5～23.0之間；2)身體健康，下肢骨、關(guān)節(jié)和肌肉等無重大傷病史；3)大腿圍度在45～55cm之間，且曾接受過2～4年的系統(tǒng)性中長跑運動訓(xùn)練，受試者基本情況見表1。實驗前所有受試者均被告知此次研究的目的，了解實驗流程和注意事項，并且已簽署知情同意書。

表1 受試者基本情況

1.2 實驗儀器

實驗采用Moxy近紅外無線肌氧監(jiān)測儀用于監(jiān)測受試者股四頭肌肌氧含量變化；MAX-Ⅱ運動心肺功能測試系統(tǒng)提供運動負(fù)荷并監(jiān)測潮氣量、攝氧量、心率等指標(biāo)。

1.3 實驗流程

實驗地點：蘇州大學(xué)體育學(xué)院生物力學(xué)實驗室。

實驗方法：20名受試者在功率自行車上做遞增負(fù)荷運動21分鐘。

實驗步驟具體如下：在實驗室內(nèi)首先讓受試者在安靜狀態(tài)休息數(shù)分鐘，然后將近紅外光譜肌氧監(jiān)測儀固定在受試者股外側(cè)肌上，探頭縱放在受試者左側(cè)大腿膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)間隙上方10cm左右的地方，使光源和監(jiān)測器平行于大腿并用遮光膠帶將探頭固定，盡量減少外界的光線干擾。安裝好肌氧監(jiān)測儀后向受試者講解實驗流程及具體要求和所要注意事項，在熟悉所要求的事項，測試人員發(fā)出測試口令后，受試者便開始以遞增負(fù)荷在跑臺上進(jìn)行運動。跑臺上等級遞增負(fù)荷的Bruce方法是本實驗所用的測試方法(見表2)。

表2 受試者7級運動排序

1.4 數(shù)理統(tǒng)計與分析

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)果

在受試者做等級遞增負(fù)荷運動時，她們肌肉組織氧含量的變化隨著運動強度等級的遞增而遞增。20名中長跑女運動員的肌肉組織氧含量的相對變化如表4所示，每級強度末各項參數(shù)的平均值如表3所示。從表中我們不難看出機體在進(jìn)行遞增負(fù)荷運動時，隨著運動強度的增加機體的氣體交換率也等級遞增。從氧氣攝入量(VO2)和二氧化碳呼出量(VCO2)數(shù)據(jù)的變化中我們可以看出，當(dāng)運動負(fù)荷逐級增加時，氧氣攝入量和二氧化碳呼出量兩項參數(shù)值都明顯增加。當(dāng)運動強度處于較低狀態(tài)時，也就是在實驗進(jìn)行至11.6min左右之前，氧氣攝入量明顯高于二氧化碳呼出量；當(dāng)實驗進(jìn)行至11.6-12.6min之間時氧氣攝入量與二氧化碳呼出量基本相當(dāng)；而當(dāng)實驗進(jìn)行至12.6min之后氧氣攝入量明顯小于二氧化碳呼出量，這就形成了“無氧閾”的拐點。從表4和5中我們還可以看出，當(dāng)達(dá)到最大運動強度時受試者的最大攝氧量(VO2max)為4115ml/min；二氧化碳呼出量(VCO2)為4239ml/min，此時的氣體交換率為1.16。

表3 20名受試者每級強度末各參數(shù)平均值(x±s)

表4 受試者肌氧含量指標(biāo)變化表

當(dāng)受試者在進(jìn)行等級遞增運動負(fù)荷時，肌肉組織氧含量的表現(xiàn)為：在等級增加時,肌肉氧含量最初與靜息狀態(tài)時一致,一段時間后就緩慢降下來了,當(dāng)快要達(dá)到機體的乳酸閾時,肌肉組織的氧含量下降的更加快速。當(dāng)達(dá)到機體最大攝氧量時,肌肉組織氧含量下降變化幅度就降低了。當(dāng)機體停止運動時，肌肉組織氧含量開始超量恢復(fù)。肌肉組織氧含量在機體達(dá)到無氧閾前和開始運動負(fù)荷等級遞增后下降明顯,在逐級遞增負(fù)荷開始階段時肌肉組織氧含量降低變化幅度大顯示剛開始增加負(fù)荷時肌肉組織的收縮強烈,正是由于這種強烈的收縮限制局部組織的血流，破壞了局部組織的氧供需平衡,這就造成運動中肌肉組織的氧耗使用加大局部動靜脈氧差的方式完成(李紅燕 等，2005)。然而隨著對運動的適應(yīng)，機體攝氧量增加,肌肉組織氧供需比會稍升高或保持平衡。當(dāng)機體達(dá)到無氧閾后,每當(dāng)負(fù)荷等級遞增時肌肉組織氧含量就持續(xù)下降，此處估計大概是因為當(dāng)遞增負(fù)荷達(dá)到較大強度后,機體的肌肉為了完成運動而強烈收縮,極大地減少了運動中肌肉的血流量，進(jìn)一步限制肌肉組織的供氧量,但是此時機體的耗氧量仍未減小,所以當(dāng)機體達(dá)到無氧閾時肌肉組織的氧含量迅速下降即局部組織氧供需平衡被打破，耗氧量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過氧供應(yīng)量，進(jìn)而我們可認(rèn)為無氧閾的出現(xiàn)與局部組織氧供需平衡狀態(tài)被打破有關(guān)(李偉 等，2009)。當(dāng)機體運動至接近力竭狀態(tài)時,有些運動員的肌肉組織氧含量會出現(xiàn)一個相當(dāng)平臺期,這說明了機體的氧供需又達(dá)到了一個新的平衡狀態(tài)。當(dāng)機體停止運動之后,肌肉組織的氧含量大幅度增高，有的可以超過機體靜息狀態(tài)下的肌肉組織氧含量且血管血流量也大幅度增高。原因為運動時為加快機體散熱，肌肉組織的毛細(xì)血管雖然擴張但是因為氧氣消耗量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氧氣供應(yīng)量所以肌肉組織氧含量降低，然而當(dāng)機體停止運動后,已經(jīng)擴張的毛細(xì)血管未完全收縮,而且大強度運動時產(chǎn)生的酸性代謝產(chǎn)物也有擴血管的作用都使肌肉組織毛細(xì)血管的血流量較大，并且由于肌肉組織停止收縮，耗氧量下降使得肌氧含量急劇升高(蔡前鑫，2016)。

從結(jié)果中我們可以看出: 局部肌肉組織的肌氧情況可以由近紅外光譜技術(shù)較為準(zhǔn)確的測得，當(dāng)機體在運動過程中時，肌肉組織氧含量變化趨勢與呼吸系統(tǒng)數(shù)據(jù)的變化趨勢相一致，這說明在參加運動時，機體攝入的氧量主要供給肌肉本身運動所需(王愛華，2009)。綜上所述，通過監(jiān)測運動中局部肌肉的上述肌氧參數(shù)推測機體呼吸系指標(biāo)是可以操作的。

對20名女中長跑運動員的肌肉氧含量相對變化值與最大攝氧量采用分析法進(jìn)行相關(guān)性分析，表現(xiàn)出了明顯的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別為0.828和0.827，且在P<0.01的水平上具有顯著意義。圖1為Deff與VO2max的線性關(guān)系圖。

圖1 Deff相對變化值與最大攝氧量間線性關(guān)系圖

2.1.1 肌肉組織氧含量變化在等級遞增負(fù)荷運動中的表現(xiàn)

在進(jìn)行遞增運動負(fù)荷試驗時，機體內(nèi)肌肉氧含量隨著運動負(fù)荷的每級遞增而顯現(xiàn)出下降的趨勢，這與當(dāng)前國內(nèi)外的研究結(jié)果相符。當(dāng)機體在運動過程中時，對氧氣的需求量會隨著運動負(fù)荷的每級遞增而增加，肌肉組織的脫氧使得肌肉氧含量減少。肌肉組織消耗掉的氧氣是用來產(chǎn)生維持繼續(xù)運動的能量并氧化運動過程中產(chǎn)生的乳酸(沈友清 等，2006)。在遞增運動負(fù)荷時肌肉局部的氧氣消耗量會持續(xù)增長，直至機體停止運動后的某個時間點。肌肉氧含量的變化主要與機體氧氣消耗和氧氣供應(yīng)的差異有關(guān)。運動過程中肌肉氧含量的變化與肌肉內(nèi)氧代謝水有很高的相關(guān)性。

2.1.2 肌肉組織氧含量的相對變化值

靜息狀態(tài)下，肌肉組織中的氧氣消耗與供應(yīng)處在一種動態(tài)平衡的狀態(tài)下，即一方面動脈毛細(xì)血管向肌肉組織供氧，另一方面這個氧又會與營養(yǎng)物質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生能量，將血氧飽和度較低的血液運輸?shù)届o脈。但是在進(jìn)行大強度運動時，機體需要更多的能量來維持運動，肌肉組織中的氧氣消耗量急劇增加，致使局部的肌肉組織內(nèi)氧耗過多導(dǎo)致脫氧，整體肌肉組織的氧氣含量下降，此時的肌肉組織的氧含量與靜息狀態(tài)下相比形成了一個相對差值(Deff)。不同的運動員從平靜到運動停止后即刻，肌肉組織氧氣含量相對差值會有所不同。肌肉組織局部的脫氧情況取決于機體進(jìn)行運動的強度：當(dāng)機體運動強度開始降低時，肌肉組織的氧含量變化幅度也降低；當(dāng)機體開始進(jìn)行每級遞增負(fù)荷運動時，血乳酸增加，肌肉組織的氧含量變化幅度也加大，此時肌肉既需要大量消耗氧氣還需要氧化生成的血乳酸，這就使得肌肉氧含量明顯下降，下降越多，即Deff絕對值越大表明肌組織氧氣消耗量越大。從這里可以看出，機體在進(jìn)行高強度運動的過程中，Deff的變化反映了肌肉組織動員率和利用氧氣的情況,這可用來客觀評價運動過程中機體肌肉的氧化代謝能力。在完成同樣的運動負(fù)荷條件下,當(dāng)Deff值越大時, 就反映了機體動員和利用氧氣的能力越強,機體有氧代謝能力越好, 這用來確保局部骨骼肌能處在較低水平下維持機體氧供應(yīng)和氧消耗的平衡。與此相反,當(dāng)Deff值越小時 ,反映骨骼肌消耗的氧氣越少, 機體動員和利用氧氣的能力越弱,機體有氧代謝能力越差。

表5 受試者最大攝氧量值

2.2 分析討論

2.2.1 肌氧含量相對差值與最大攝氧量的相關(guān)分析

人體肌肉組織氧含量的相對差異(Deff)與攝取氧氣的最大含量(VO2max)之間存在一定的相關(guān)性，而所有的這些都與人體的氣體代謝能力水平有關(guān)。最大攝取氧氣量(VO2max)反映了機體輸送氧氣的能力(包括心臟輸送能力、氧合血紅蛋白等)。吸收和使用肌肉中的氧氣的能力(包括線粒體數(shù)量、酶活動水平等)是重要的標(biāo)準(zhǔn)。

這些標(biāo)準(zhǔn)是有效評估運動員有氧代謝能力的重要標(biāo)準(zhǔn)。Deff反映了運動期間局部肌肉組織的運動強度和身體狀況，肌肉組織中的氧氣攝入量和消耗量與產(chǎn)生的能量成正比，肌肉組織中的氧氣攝入量有助于運動期間和運動期間的能量供給(鄭皎潔 等，2007)。當(dāng)負(fù)載相同時，肌肉氧氣含量下降得越快，這意味著局部肌肉對氧氣的需求和消耗量就越大。運動消耗殆盡時，肌肉組織的氧氣動員和使用能力也達(dá)到了極限，Deff反映了肌肉組織氧氣消耗量的相對變化。人體肌肉組織中氧氣含量的相對差異(Deff)與觀察到的最大攝取氧氣含量(VO2max)之間存在著聯(lián)系，所有這些都與人體氧氣的新陳代謝能力水平有關(guān)。

2.2.2 氧合血紅蛋白指標(biāo)在遞增負(fù)荷運動中意義的討論

人體組織中的微血管系統(tǒng)包括微導(dǎo)管、毛細(xì)血管，而肌肉氧含量則是骨骼肌微血管中血紅蛋白濃度乘以重量的相對變化平均值，反映了血紅蛋白與氧氣的結(jié)合和解離的動態(tài)變化(張曉輝，2014)。肌肉和血液中的氧氣會在肌肉組織運轉(zhuǎn)過程中消耗，隨著肌氧含量的供應(yīng)不足，肌組織的工作能力也會隨之下降，此時便會出現(xiàn)疲勞，運動代謝副產(chǎn)物也難以得到清除。在運動過程中肌肉組織氧密度會隨著機體溫度升高而升高，運動肌肉代謝能力的增強而升高，機體能量代謝的加快而升高等。肌氧飽和度的下降也就意味著機體疲勞的產(chǎn)生，運動能力的下降和體力的消耗。

本實驗研究中在遞增工作強度運動后期時,氣體交換率大于1也證明了CO2對機體HbO2作用的影響(徐國棟 等，2004)。

3 結(jié)論

一旦機體開始參與到運動中去，通過實驗我們可以知道肌肉組織中氧合血紅蛋白(HbO2)含量和血紅蛋白(Hb)含量的相對變化均比較明顯。隨著運動負(fù)荷的等級性遞增和運動時間的逐漸加長,肌肉組織中氧合血紅蛋白(HbO2)含量的相對變化逐漸下降,這種表現(xiàn)在機體參與不同級負(fù)荷運動時變化得更為明顯。由此可知，利用近紅外肌氧監(jiān)測技術(shù)來檢測中長跑運動員在跑臺上做遞增強度負(fù)荷運動時肌肉組織內(nèi)肌肉氧含量的相對變化是可行的，為無損傷監(jiān)測人體運動時氧化代謝能力提供新的途徑，更好的滿足現(xiàn)今社會不斷發(fā)展下人們對于體育日益增長的需求。