急性低氧對自行車運動員遞增負荷運動時肌氧飽和度的影響

何 琳，徐 飛，馬國東，李 岳，騰軼超

●成果報告

急性低氧對自行車運動員遞增負荷運動時肌氧飽和度的影響

何 琳1，徐 飛2，馬國東1，李 岳3，騰軼超3

目的：通過近紅外光譜技術(shù)觀察自行車運動員低氧下遞增負荷運動時肌氧飽和度的變化，探索可靠、有效、無創(chuàng)的評價肌肉疲勞指標(biāo)。方法：連續(xù)監(jiān)測15名自行車運動員常氧和急性低氧環(huán)境下遞增負荷運動時心肺系統(tǒng)和肌氧飽和度的變化。結(jié)果：（1）低氧條件下，由開始運動到75%最大功率，Δ[HbO2]降低、Δ[HHb]增高；由75%至100%最大功率時，Δ[HbO2]保持不變，而Δ[HHb]和Δ[THb]增加，但在4個不同功率等級下低氧Δ[HbO2]均高于常氧值，Δ[HHb]在50%、75%和100%最大功率時均低于常氧對應(yīng)值；（2）運動員在低氧運動時，無氧閾（VT）和最大攝氧量（V O2max）出現(xiàn)時對應(yīng)的心率、氣體代謝、血氧飽和度（SpO2）和功率都出現(xiàn)降低；其中VT和VO2max對應(yīng)的VO2、VE/VO2、VE/VCO2和SpO2都低于常氧運動時的值。結(jié)論：（1）自行車運動員低氧運動時相對強度增大，而低氧通氣反應(yīng)顯著高于常氧水平，提示提高自行車運動員在高原訓(xùn)練和/或比賽時的低氧通氣反應(yīng)有利于提高其有氧能力；（2）低氧運動時Δ[HbO2]顯著高于常氧值，Δ[HHb]顯著低于常氧值，說明肌氧飽和度是反映肌肉疲勞程度的敏感指標(biāo)，可考慮將其作為監(jiān)控和評價自行車運動員訓(xùn)練、比賽的指標(biāo)。

急性低氧；自行車運動員，近紅外光譜技術(shù)（NIRS）；肌氧飽和度

在自行車項目中，運動員競速能力是競技能力的核心。競速能力包含的起動速度、加速能力、最高速度和高速耐力都與肌肉工作能力密切相關(guān)[1-4]。因自行車項目需要長期騎行的項目特點（如著名的環(huán)法大賽和我國的環(huán)青海湖自行車賽等），運動員常在高原進行比賽和訓(xùn)練，所以探索高原和低氧環(huán)境下科學(xué)化訓(xùn)練的方法和評價訓(xùn)練效果的有效指標(biāo)一直是科研人員追求的目標(biāo)[5-6]。

眾多研究已證實肌肉和血液中氧含量的變化對工作肌有極大影響，當(dāng)肌肉氧含量供給不足時會加速疲勞的產(chǎn)生從而導(dǎo)致肌肉工作能力下降[7-8]。自行車運動員對大腿肌肉工作能力要求很高，所以如何監(jiān)控和評價自行車運動員騎行過程中大腿工作肌的氧含量變化就具有重要現(xiàn)實和理論意義。以往評價肌肉疲勞的經(jīng)典指標(biāo)是有創(chuàng)取血離體測定技術(shù)，有一定的局限性。隨著近紅外光譜測試技術(shù)（near-infrared spectroscopy，NIRS）在體育領(lǐng)域的應(yīng)用，為自行車運動項目的科學(xué)化訓(xùn)練和實時監(jiān)控、評價提供了極大便利，其具有無創(chuàng)、實時和有效的特點。有研究證實，中長跑運動員肌氧變化對運動強度極為敏感[9]，且遞增運動后肌氧變化與血乳酸變化趨勢一致[10]，提示肌氧飽和度可作為評價運動能力的有效指標(biāo)。新近研究證實NIRS技術(shù)能反映出肌肉代謝情況[11]，甚至有學(xué)者報道肌肉氧代謝隨運動強度的增加逐漸降低，最終達到一個類似最大有氧功率輸出的平臺值[12－13]。目前關(guān)于自行車運動低氧環(huán)境下訓(xùn)練或比賽時肌氧變化的報道較為少見，本研究探討了自行車運動員急性低氧環(huán)境下遞增負荷時肌氧飽和度的變化情況，以期為該項目科學(xué)化運動訓(xùn)練和運動員機能評定提供參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

15名有高原訓(xùn)練經(jīng)驗，半年內(nèi)未上過高原的某省自行車隊隊員（9男6女，健將級5人，一級運動員10人）自愿參與本試驗。受試者熟悉試驗流程后，在正式試驗前簽署知情同意書。所有運動員無心肺系統(tǒng)疾病史、無吸煙史，其基本情況（M±SD）為：年齡（23±4）歲，身高（176±6）cm，體重（71±4）kg，大腿皮褶厚度（7±3）mm，血紅蛋白（159±0.7）g/dL，紅細胞壓積45%±2%。

1.2 試驗設(shè)計

運動員常氧基礎(chǔ)值測試后休息2～3天，對15名運動員隨機編號為1～15號，1～8號運動員先進行常氧測試（FIO2=21%），9～15號運動員進行低氧測試（FIO2=14.0%，模擬海拔約3 200 m，約為青海湖地區(qū)平均海拔）；休息1周后隨機順序交換測試環(huán)境，1～8號運動員進行低氧測試（FIO2=14.0%）；9～15號運動員進行常氧測試（FIO2=21%）。

遞增負荷測試：受試者在22℃、38%相對濕度的常氧和低氧環(huán)境下進行遞增負荷運動直至力竭。運動方案為：運動員在Monark 839E功率車（瑞典）上熱身10 min后安靜，以75 W為初始負荷，每2 min遞增25 W直至經(jīng)鼓勵后運動員力竭（滿足下述2項標(biāo)準(zhǔn)判定為力竭）：（1）呼吸商≥1.1或出現(xiàn)最大攝氧量平臺；（2）心率超過170 bpm；（3）RPE≥17或不能達到60 rpm轉(zhuǎn)速；同期進行氣體代謝分析（Max II，美國）；運動終止時的功率計為運動員的最大功率，運動過程中同步記錄心率（Poalr S810，芬蘭）和血氧飽和度（Nonin 3100，美國）。

肌氧飽和度測試：采用近紅外光譜（NIRS）肌氧飽和度監(jiān)測儀（TSHA－100，中國）[14]記錄運動員肌氧飽和度：包括肌肉中氧合血紅蛋白（HbO2）、還原血紅蛋白（HHb）及總血紅蛋白（THb）；測試時探頭放置于股外側(cè)肌肌腹中部，光源和感光元件軸線平行于大腿肌肉方向，光探頭用彈力繃帶輕微固定，防止光探頭漏光和運動時隨光源移動，同時避免造成局部缺血[15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1名男運動員中途因故退出試驗，故最終完成試驗運動員14人。全部NIRS數(shù)據(jù)均用相對于運動開始前即刻安靜狀態(tài)時（0 μM）微摩爾濃度的變化量（Δ[HbO2]、Δ[HHb]和Δ[THb]）來表示，運動強度采用最大運動強度的百分比表示。常氧和低氧狀態(tài)下對氣體代謝相關(guān)指標(biāo)采用t檢驗；常氧和低氧狀態(tài)下，相對運動強度（分為25%、50%、75%和100%Peak Power）的肌氧指標(biāo)采用單因素方差分析，絕對強度（100和200 W）的肌氧指標(biāo)采用T檢驗。所有數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±SD）表示，顯著性水平置于P≤0.05。

2 試驗結(jié)果

2.1 急性低氧下遞增負荷運動對自行車運動員無氧閾和最大攝氧量的影響

運動中及運動后運動員主觀報告無急性高原反應(yīng)相關(guān)的頭暈、頭痛、惡心等癥狀。但運動員在低氧下運動時，無氧閾（VT）和最大攝氧量（VO2max）出現(xiàn)時對應(yīng)的心率、氣體代謝、血氧飽和度（SpO2）和功率都出現(xiàn)降低；其中VT和VO2max對應(yīng)的VO2、VE/VO2、VE/VCO2和SpO2都低于常氧運動時的值。低氧與常氧相比，運動員VT和VO2max出現(xiàn)時對應(yīng)的功率分別降低33%和28%（P＜0.05）（見表1）。

注：*與常氧相比有顯著性差異（P＜0.05）。

2.2 急性低氧下遞增負荷運動對自行車運動員肌氧飽和度的影響

常氧和低氧條件下運動員各功率等級下的肌氧飽和度變化見圖1。低氧條件下，由開始運動到75%最大功率，Δ[HbO2]降低、Δ[HHb]增高；由75%至100%最大功率時，Δ[HbO2]保持不變，而Δ [HHb]和Δ[THb]增加（見圖1、表2）。常氧時，肌氧飽和度（Δ [HbO2]、Δ[HHb]和Δ[THb]）與常氧條件下變化趨勢大致相同；但在4個不同功率等級下低氧Δ[HbO2]均高于常氧值（見圖1 A），Δ [HHb]在50%、75%和100%最大功率時均低于常氧對應(yīng)值（見圖1 B），而Δ[THb]在各相對功率等級時無顯著性差異（見圖1C）。

圖1 不同相對功率等級下常氧與低氧間肌氧飽和度的變化Figure 1 Underdifferent relative powerlevels between normoxic and hypoxic changes in muscle oxygen saturation

注：*與常氧比較P＜0.05，與25%最大功率比較P＜0.05，與50%最大功率比較P＜0.05，§與75%最大功率比較P＜0.05。

Table 2 The relative powerof the corresponding changes in muscle oxygen saturation（±SD）

本研究還考察了絕對功率下運動員肌氧飽和度的變化情況，發(fā)現(xiàn)Δ[HbO2]隨運動負荷的增大而降低（P＜0.05），但低氧下降低幅度大于常氧值；Δ[HHb]隨運動負荷的增大而增加，但低氧下增加幅度大于常氧值；而Δ[THb]隨著運動負荷的增大而顯著增加，但低氧和常氧下不同絕對功率時對應(yīng)值無顯著性差異（見表3）。

表3 絕對功率時肌氧飽和度的變化（±SD） （W）Table 3 Muscle oxygen saturation changes in the absolute power

表3 絕對功率時肌氧飽和度的變化（±SD） （W）Table 3 Muscle oxygen saturation changes in the absolute power

注：*與常氧比較P＜0.05，#與100 W比較P＜0.01。

3 分析與討論

自行車運動員常在高原地區(qū)進行訓(xùn)練和比賽（如著名的環(huán)法和我國的環(huán)青海湖自行車賽），但不同運動員對低氧耐受性存在較大的個體差異[16]，這為監(jiān)控和評價自行車運動員的競技能力帶來了較大困難。本研究在相對最大功率的基礎(chǔ)上評價和分析相關(guān)指標(biāo)的變化（不同運動員在低氧環(huán)境下最大工作能力有差異，但最大功率的百分比對個人而言相同）[17]，這樣就更好地控制了運動員低氧適應(yīng)能力的個體差異，為精確評價和分析運動員低氧情況下肌氧變化提供了可靠的前提條件。

常氧運動時，運動強度對人體的生理反應(yīng)和代謝調(diào)節(jié)（如心血管功能和呼吸功能等）起主要作用[18]。本研究發(fā)現(xiàn)自行車運動員在低氧下運動時VT和VO2max出現(xiàn)時對應(yīng)的生理指標(biāo)都出現(xiàn)降低，其中運動員達VT和VO2max時其HR、VO2和SpO2顯著低于常氧運動VO2max出現(xiàn)時的值（見表1），這主要是因為運動員在高原低氧環(huán)境中以相同強度進行運動時其血液攜氧量顯著下降（表現(xiàn)為SpO2顯著下降），造成相對運動強度顯著增加[17，19]。而造成相對強度顯著提高的主要原因是低氧環(huán)境下VT和VO2max的降低，因AT和VO2max是反映人體有氧運動能力的重要指標(biāo)，二者的顯著降低意味著有氧運動能力的顯著下降，提示自行車運動員在高原比賽時其有氧能力較大程度受高原低氧的影響，這與Tannheimer等對登山運動員的研究結(jié)果較為一致，他們也發(fā)現(xiàn)VO2max隨著海拔高度的增加而出現(xiàn)不同程度的下降[18]，Wehlin等甚至發(fā)現(xiàn)海拔高度的增加與VO2max的下降呈線性關(guān)系[20－21]。所以提高自行車運動員高原比賽時的有氧能力可能是提高其運動成績的關(guān)鍵。最新的研究發(fā)現(xiàn)運動員低氧通氣反應(yīng)指標(biāo)可以反映運動訓(xùn)練水平[20]，Adamczy等發(fā)現(xiàn)世界級優(yōu)秀皮劃艇運動員的低氧通氣反應(yīng)與VO2max顯著相關(guān)[22]，優(yōu)秀運動員VO2max顯著高于青少年運動員和對照組。本研究發(fā)現(xiàn)低氧下VE/VO2和VE/VCO2都顯著高于常氧對應(yīng)值，所以提高自行車運動員在高原訓(xùn)練和/或比賽時的低氧通氣反應(yīng)有利于提高其有氧能力和運動成績。

自行車運動有長時間騎行結(jié)合沖刺的項目特點，雖然有氧能力是取得優(yōu)異成績的重要基礎(chǔ)，但其競速能力包含的起動速度、加速能力、最高速度和高速耐力主要依靠肌肉的工作能力。研究也已證實肌氧飽和度與肌肉疲勞密切相關(guān)[23]，所以評價運動員肌氧飽和度的變化可能為其科學(xué)訓(xùn)練和機能評定提供重要參考。目前關(guān)于自行車運動員高原低氧下肌氧變化特點的研究尚不多見，本研究發(fā)現(xiàn)低氧條件下，由開始運動到75%最大功率，Δ[HbO2]降低，由75%至100%最大功率時，Δ[HbO2]基本保持不變；低氧下Δ[HbO2]在4個不同功率等級均顯著高于常氧值（見圖1 A）。分析原因認為，HbO2是血紅蛋白和氧分子的結(jié)合物，其運輸方式為通過與氧可逆性地結(jié)合而生成，肌肉內(nèi)血紅蛋白就是以HbO2運輸氧氣[24]，當(dāng)遞增負荷運動時，強度增加引起肌肉消耗能量增加從而導(dǎo)致HbO2逐漸降低，所以當(dāng)運動強度超過無氧閾時，HbO2下降更為明顯。本研究發(fā)現(xiàn)運動員在常氧和低氧下HbO2都呈現(xiàn)同樣的趨勢，但低氧下運動導(dǎo)致HbO2顯著低于同等強度時的對應(yīng)值（見圖1A），說明低氧和運動的雙重刺激加劇了肌肉的缺氧程度，提示HbO2能反映出肌肉疲勞程度，當(dāng)運動強度增大肌肉工作能力降低時，HbO2是反映肌肉疲勞程度的敏感指標(biāo)。張力等的研究結(jié)果也證實，肌氧出現(xiàn)顯著降低時與乳酸閾出現(xiàn)的時間較為一致[23]。所以，筆者認為HbO2是反映肌肉疲勞的可靠、無創(chuàng)指標(biāo)，其在監(jiān)控自行車運動員訓(xùn)練過程中有較好的應(yīng)用前景。

本研究還發(fā)現(xiàn)低氧運動時，Δ[HHb]在50%、75%和100%最大功率時均顯著低于常氧對應(yīng)值（見圖1 B），在100 W和200 W絕對功率時亦呈現(xiàn)出同樣的變化趨勢（見表3），這較好地支持了Subudhi等的研究結(jié)果，其發(fā)現(xiàn)運動導(dǎo)致Δ[HbO2]降低、Δ [HHb]增高、Δ[THb]增高，當(dāng)運動強度增大時受試者股外側(cè)肌氧合狀態(tài)呈線性下降，一旦超過90%最大功率，肌氧飽和度達“平臺期”（則氧解離率下降）。這主要是因為HHb反映的是未攜帶氧的血紅蛋白，當(dāng)毛細血管中還原血紅蛋白量過高時，機體會出現(xiàn)紫紺（cyanosis）癥狀。而低氧運動時因相對強度增大，運動員局部肌組織缺氧與常氧狀態(tài)相比更為嚴重，Δ[HbO2]降低、Δ [HHb]增高的現(xiàn)象證實低氧導(dǎo)致了肌肉脫氧程度加劇，所以通過有效的低氧/高原訓(xùn)練減緩肌肉內(nèi)氧解離程度可能是提高運動員肌肉工作的關(guān)鍵因素。但Nielsen等研究發(fā)現(xiàn)，盡管通過吸氧能顯著提高低氧環(huán)境下的運動成績，但并不能改變肌肉組織的氧解離模式[25]。雖然迄今為止尚不能肯定低氧/高原訓(xùn)練能否改變肌組織的氧解離模式，眾多研究證實通過低氧/高原訓(xùn)能加速肌肉內(nèi)氧的解離程度，這也是低氧訓(xùn)練提高運動員成績的非血液學(xué)機制的重要組成部分。從這個角度而言，也證實肌氧含量相關(guān)指標(biāo)是反映運動員肌肉工作能力較好的無創(chuàng)指標(biāo)。需注意的是，目前運動過程中血液和肌肉間的氧轉(zhuǎn)運率仍不明確（因為NIRS技術(shù)監(jiān)測的是肌肉內(nèi)總的氧飽和度，其尚不能區(qū)分血紅蛋白和肌紅蛋白），此外，運動導(dǎo)致的肌肉內(nèi)血流量重新分配（動態(tài)調(diào)節(jié)過程），肌肉內(nèi)氧氣通過肌細胞膜的擴散速率還不確定，所以，運動員在低氧/高原環(huán)境下運動或比賽時，為了保持較強的運動能力和取得更好的運動成績，其機體需要更強的生理和代謝調(diào)節(jié)才能維持機體的運動能力與內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。

4 結(jié) 論

（1）自行車運動員低氧下運動時相對強度增大，AT和VO2max顯著低于常氧水平，而低氧通氣反應(yīng)顯著高于常氧水平，提示提高自行車運動員在高原訓(xùn)練和/或比賽時的低氧通氣反應(yīng)有利于提高其有氧能力。

（2）低氧運動時Δ[HbO2]顯著高于常氧值，Δ[HHb]顯著低于常氧值，說明肌氧飽和度是反映肌肉疲勞程度的敏感指標(biāo)，可考慮將其作為監(jiān)控和評價自行車運動員訓(xùn)練、比賽的指標(biāo)。

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Effects of Acute Hypoxia on Muscle Oxygen of Cyclists during Incremental Exercise

HE Lin1，XU Fei2，MA Guodong1，LI Yue3，TENG Yichao3
（1.Dept.of Sport Biological Science，Jilin Institute of Physical Education，Changchun 130022，China；2.Dept.of PE，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China；3.Dept.of Biomedical Engineering，School of Medicine，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Purpose：The purpose the present paper is to observe the changes of muscle oxygen of cyclists during acute hypoxic incremental exercise by using the near-infrared spectrum technique，and to explore the reliable，effective and non-invasive markers to evaluate the muscle fatigue.Methods：The study was conducted using a cross-over design.To investigate the changes of cardiopulmonary and muscle oxygen when 15 elite cyclists（9 male and 6 female）were performed maximal incremental exercise test under normoxic and acute hypoxic conditions.Results：（1）The change of oxyhemoglobin（Δ [HbO2]）decreased and the change of deoxyhemoglobin（Δ[HHb]）increase at the 75%peak power in the hypoxia，respectively.In addition，Δ[HbO2]had no obvious changes and Δ[HHb]和Δ[THb]increased slightly between 75%and 100%peak power.However，Δ[HbO2]was significantly higher than nomoxic values in 4 relative peak power levels and Δ[HHb]was significantly lower than normoxic values in 50%，75%and 100%peak power.（2）In hypoxia，the corresponding values of VT and VO2max（HR，gas metabolic markers and SpO2）decreased.The VO2，VE/VO2，VE/VO2and SpO2are significantly lower than nomorxia.Conclusion：（1）In hypoxia exercise procedure，the cyclists'relative exercise intensity is increased and hypoxic ventilation responses are significantly higher than normoxic values，which indicated that increasing the hypoxic ventilation response level is beneficial to improving aerobic capacity.（2）Δ[HbO2]of hypoxia is significant higher and Δ[HHb]is significant lower than normoxia，which suggested that muscle oxygen is sensitive to muscle fatigue，maybe the NIRS technique could be use to monitoring and evaluating cyclists'competition and training procedure.

acute hypoxia；cyclists；near-infrared spectroscopy（NIRS）；muscle oxygen

G 804.7

A

1005-0000（2010）06-0478-04

2010-08-31；

2010-11-17；錄用日期：2010-11-18

國家自然科學(xué)基金項目（項目編號：60578004）

何 琳（1972-），女，吉林吉林人，講師，研究方向為運動生理學(xué)。

1.吉林體育學(xué)院運動人體科學(xué)系，吉林長春130022；2.浙江工業(yè)大學(xué)體軍部，浙江杭州310034；3.清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，北京100084。