遞增負荷運動時肌氧含量的相對變化與攝氧量的關系研究

遞增負荷運動時肌氧含量的相對變化與攝氧量的關系研究

—可視化生物醫(yī)學測量技術在體育運動領域中的應用摘要：近紅外光譜學（Near-InfraredSpectroscopy,NIRS）技術是一種新型的生物信息檢測技術，具有無損、連續(xù)、實時的檢測特點，且與計算機技術相結合能實現生物信息采集的可視化，其在體育運動領域中的應用還處于起步階段。針對目前運動訓練和醫(yī)務監(jiān)督中諸多生理生化指針檢測存在的不足，希望通過該項技術的應用能夠避免存在的檢測弊端。本研究選擇了其中一個生理指針──攝氧量，肌氧含量和攝氧量均是與氧代謝密切相關的檢測指針，其變化可以反映機體氧供應和氧消耗的動力學過程。為研究運動過程中肌氧含量的相對變化和攝氧量的關系，讓5名優(yōu)秀賽艇運動員在賽艇測功儀上進行遞增強度運動。在運動過程中，應用近紅外光譜技術（NIRS）檢測氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的相對變化(即Δ[HbO2]和Δ[Hb])，同時，采用MAX-Ⅱ心肺功能儀檢測攝氧量的變化。氧合血紅蛋白的相對變化可以反映肌肉在運動過程中的氧含量的變化。結果發(fā)現：（1）遞增強度運動時，HbO2對光的反射隨著運動強度的遞增而呈下降趨勢，Δ[HbO2]隨著運動強度的遞增而逐漸減少，Hb變化與HbO2變化相反；（2）攝氧量隨著運動強度的加大而提高，其變化與HbO2表現出高度相關性。結果表明，采用NIRS技術可以無損、連續(xù)、實時檢測運動過程中局部肌肉氧供應和氧消耗的動態(tài)變化，可以間接反映全身氧代謝的動力學變化，從而為檢測運動員機能變化提供一種新的應用技術。運用到運動實踐中，可以科學地掌握機體代謝狀況的變化，控制訓練強度，評價訓練的效果?；谶@些優(yōu)點，有望取代繁瑣的、有損的一些生理生化檢測手段。關鍵詞：近紅外光譜技術；可視化；肌氧含量；攝氧量1前言生命科學永遠是人類最重要的科學研究領域，而生物醫(yī)學測量及其應用已成為了人類認識生命活動的基礎?，F代生物研究技術日新月異，其中光電子技術和人工智能技術的完美結合實現了人體生物信息采集的可視化。該技術以它的廣泛性和實用性，正在席卷著各個領域[1]。近年來，生物醫(yī)學技術在體育運動領域中的應用逐漸被重視起來。實踐證明，體育運動與生物醫(yī)學兩個不同學科存在著許多相互交叉的領域和結合點，兩者相互促進。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）在運動訓練和醫(yī)務監(jiān)督中的檢測與應用越來越受到重視，但許多指針的檢測存在以下弊端，如有損傷；實驗設備昂貴，操作過程復雜；測試需要在實驗室完成，無法在訓練和比賽現場進行；而且，部分指針的采集和檢測存在滯后的現象。多年來，體育科研工作者一直在尋找一種行之有效的檢測手段。20世紀90年代迅速發(fā)展起來的一種新型的應用技術──近紅外光譜學（Near-InfraredSpectroscopy,NIRS）技術受到廣泛關注。該技術具有無創(chuàng)、連續(xù)、實時的檢測特點，且與計算機技術相結合能實現生物信息采集的可視化。NIRS技術在檢測骨骼肌局部氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的相對變化(即Δ[HbO2]和Δ[Hb])方面倍受青睞。NIRS利用與氧代謝密切相關的生物組織中的生色團，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)下表現出不同光吸收譜的原理，來直接測定目標生物組織中的氧含量和血紅蛋白與肌紅蛋白動力學變化，它能反映局部組織中氧消耗和氧供應的變化[2]。研究證明，該技術能用于反映運動時機體組織的氧化代謝狀況，從而為無損傷性檢測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技術檢測運動員在遞增負荷運動時肌氧含量的相對變化，同步檢測相關氣體代謝參數（如攝氧量O2）的變化，并進行相關分析，以期進一步了解兩者之間的變化規(guī)律，從而為NIRS這種可視化的技術在體育運動中的應用提供理論與實踐依據。2實驗對象和方法2.1實驗對象14名志愿受試者為武漢體育學院賽艇運動員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，經常規(guī)體檢未發(fā)現異常。告知受試者及教練員實驗內容、目的及意義。2.2實驗儀器近紅外肌氧檢測儀采用連續(xù)波三波長近紅外檢測系統（由華中科技大學生物醫(yī)學光子研究所研制），波長分別為735nm、805nm和850nm。儀器由主單元和光探頭組成，并研制了與計算機端口相聯的數字化接口，采用相應的軟件來實現信號的數據采集、存儲、分析、顯示（如圖1）。圖1NIRS系統的工作流程此外，還采用了MAX-Ⅱ心肺功能儀（美國），Polar遙測心率表（芬蘭）以及CONCEPT-Ⅱ賽艇專項測功儀（德國）。2.3實驗方案選擇賽艇運動員運動過程中發(fā)力最大的主動肌──股四頭肌作為檢測點，將光探頭固定于右側股外側肌的肌腹中段，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好檢測器以防止汗水浸潤。用彈力繃帶固定檢測器，松緊適度，既要防止漏光和運動時光源移動，又要避免造成局部阻斷性缺血。受試者在賽艇測功儀上進行遞增負荷運動，起始負荷為180W，以每級40W的強度遞增，每級負荷持續(xù)時間為3分鐘，運動至力竭。運動過程中，檢測肌氧含量以及攝氧量（O2）的變化。3實驗結果如圖2所示，紅色波型代表NIRS在760nm處光吸收譜的變化，主要反映被檢測肌肉中HbO2與MbO2圖圖2一名賽艇運動員在遞增負荷運動時，HbO2與Hb相對變化曲線足：實驗儀器體積大，設備昂貴；操作過程復雜；測試需要在實驗室完成，無法在訓練和比賽現場操作；而且，對呼出氣和吸入氣的采集和檢測存在滯后的現象。而NIRS技術可以較好地避免這些不足，該檢測設備具有體積小、重量輕、便于攜帶、操作簡便、性能穩(wěn)定等特點，可以無損、連續(xù)、實時地獲取人體生物信息，檢測可以在運動員實際訓練和比賽過程中進行，滿足了教練員、運動員以及醫(yī)務人員隨身攜帶和遠距離檢測的需求，運用到運動實踐中?？梢钥茖W地掌握機體代謝狀況的變化，控制訓練強度，評價訓練的效果。5結論肌氧含量和攝氧量均是與氧代謝密切相關的檢測指針，其變化可以反映機體氧供應和氧消耗的動力學過程。NIRS作為一種無損、連續(xù)、實時、便捷的檢測手段，可以對機體實際能量消耗和氧化代謝過程進行動態(tài)實時檢測?；谶@些優(yōu)點，有望取代繁瑣的、有損的一些生理生化檢測手段。NIRS技術是一種新型的可視化生物信息檢測技術，其在體育運動領域中具有廣闊的應用前景。參考資料：[1]王保華等..生物醫(yī)學測量與儀器[M].復旦大學出版社，2003.21-23.[2]劉方，駱清銘等.基于RF無線數據傳輸技術的近紅外血氧監(jiān)測儀的研制[J].中國醫(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