遞增負荷運動后肌氧含量和血乳酸的恢復研究

沈友青，徐國棟

1 前言

肌肉是實現(xiàn)人體運動的動力性器官，肌肉的代謝過程與運動能力密切相關，對運動成績發(fā)揮首要作用[1]。對恢復期肌肉的代謝狀況進行監(jiān)測，可以了解機體的氧化代謝能力，并有利于運動后疲勞診斷和體能恢復的有效監(jiān)控。目前，運動后血乳酸作為代謝能力反映的關鍵指標，其中血乳酸清除速率是評定運動機體有氧代謝能力的有效指標[3]。但由于血乳酸檢測手段的有創(chuàng)、離體、非連續(xù)等特點，在實際應用中存在較大的局限。如何采取無損、在體、實時、連續(xù)的檢測手段，對運動人體的機能狀態(tài)進行有效監(jiān)控，是運動生物醫(yī)學監(jiān)控的研究重點，是實施運動訓練科學化監(jiān)控的關鍵。近紅外光譜術（Near Infrared Spectroscopy，N IRS）具有連續(xù)無損、在體實時、操作簡單、分析重現(xiàn)性好的優(yōu)點，適合在運動過程中進行長時間連續(xù)監(jiān)測和多次重復性測量[7]。與傳統(tǒng)的檢測手段相比較具有不可替代的特色和優(yōu)勢，在臨床監(jiān)護和功能評定等多個領域具有廣闊的應用前景，并成為當前的研究熱點。該技術是基于波長700～900 nm的近紅外光對人體組織具有良好的穿透特性，尤其是易于穿透體表進入到深層而實現(xiàn)的[2]。在近紅外波段，人體組織對光的吸收體主要是來自于微細血管中的血紅蛋白（Hb），Hb與O2結合后對光的吸收波譜會發(fā)生一定改變。通過動態(tài)監(jiān)測骨骼肌組織中Hb光學參數(shù)的變化，可以了解組織氧供應和氧消耗的變化，進而分析不同狀態(tài)下機體氧化代謝特點。繼 1992年 Britton Chance[11]首次將N IRS用于劃船運動員運動后股四頭肌組織氧飽和度的檢測，其技術特點迅速引起廣大體育科學工作者的研究興趣，NIRS被認為是運動生物醫(yī)學監(jiān)控中極具發(fā)展?jié)摿Φ臋z測手段。本研究擬使用反射式雙波長（850 nm、760 nm）近紅外肌氧檢測系統(tǒng)，實驗小組在前期開展了該系統(tǒng)在耐力運動中對肌氧監(jiān)測的實現(xiàn)及應用研究，獲得了可靠的實驗結果[4，9，17，19]，為進一步研究奠定了基礎。目前，肌氧與血乳酸關系的研究主要集中在運動過程中肌氧含量與血乳酸拐點的一致性上[13，14，16，18]，對于恢復期肌氧含量和血乳酸的變化及其關聯(lián)性研究尚未見報道。

本文研究賽艇運動員進行遞增負荷運動至力竭后，肌氧恢復的動態(tài)變化和血乳酸的恢復特點，探索恢復期機體代謝變化規(guī)律。同時，將肌氧含量恢復的特征性參數(shù)與傳統(tǒng)血乳酸指標進行對比研究，分析其關聯(lián)性及其內在聯(lián)系，探索肌氧參數(shù)在運動人體恢復能力和代謝能力評定應用中的可行性，以期為運動訓練監(jiān)控提供有效的新指標和科學化的檢測手段。

2 實驗對象與方法

2.1 實驗對象

實驗對象為武漢體育學院競技體育學院14名男子輕量級（HPL）賽艇運動員，基本情況如表1所示，身體健康，測試當天未進行大強度運動。本研究過程獲得實驗對象本人同意并簽訂了書面同意書。

表1 本研究實驗對象基本情況一覽表

2.2 實驗測試

2.2.1 遞增負荷運動試驗 GXT（Graded exercise test）

負荷工具是Concept II賽艇測功儀（美國），采用 Polar心率表（芬蘭）監(jiān)測心率。受試者進入實驗室后靜坐休息5 min開始測試，起始負荷為150 W，每3 min遞增40 W，持續(xù)運動至力竭。力竭的判斷標準為：主觀感覺精疲力竭同時心率達到180次/min以上。停止運動后受試者均保持坐立式體位，采取靜止休息的方式恢復，恢復時間持續(xù)至心率接近安靜時的水平。

2.2.2 肌氧含量檢測

檢測系統(tǒng)為反射式雙波長（850 nm、760 nm）近紅外肌氧檢測儀，該系統(tǒng)由華中科技大學武漢光電國家實驗室研制。選取賽艇運動中主要原動?。ㄖ鲃蛹。┕伤念^肌的外側頭作為檢測點，連續(xù)檢測運動過程中和恢復期間肌氧含量的變化。探頭放置在股外側肌肌腹的縱向平面上，光源和檢測器的軸線平行于大腿。檢測器用一透明塑料薄膜套住，防止汗水浸入檢測器而影響檢測的精度，用繃帶固定檢測器于皮膚上，注意繃帶固定的松緊度，既要保持探頭與皮膚之間的良好接觸，避免在跑動中探頭移動或脫落，又不能壓迫肢體造成缺血。

2.2.3 血乳酸測試

測試儀器使用Lactate Pro TM測定儀（日本京都血乳酸測定儀），采集手指末梢血，采血時間為運動后即刻、第1 min、2 min、3 min……直至連續(xù)2 min出現(xiàn)血乳酸濃度低于上一次時停止采血，確定血乳酸的峰值（Blamax）和峰值出現(xiàn)的時間（t）。同時，在恢復至30 min時，再次采集末梢血測定血乳酸濃度（Bla30）。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有數(shù)據(jù)采用 PASW Statistics 18分析軟件進行統(tǒng)計學處理，結果用平均數(shù)±標準差（±SD）表示。采用K-S檢驗對參數(shù)進行分布性檢驗，并通過 Pearson相關系數(shù)法分析參數(shù)之間的相關性，對相關性顯著的參數(shù)進一步建立線性回歸方程，采用ANOVA對回歸方程進行顯著性檢驗。以P＜0.05為顯著性水平，P＜0.01為非常顯著水平。

3 實驗結果

3.1 恢復期肌氧含量變化的特征曲線

圖1為遞增負荷運動時和恢復期肌氧含量的變化曲線，用氧合血紅蛋白（HbO2）濃度的相對變化量表示（△[HbO2]），實際上是 HbO2相對于測量初始值的光密度的變化量（△OD）。從圖 1可以看出，在運動過程中△[HbO2]隨著運動負荷的增加呈逐級下降的趨勢。在運動停止后（圖1A點），△[HbO2]從運動停止后即刻的最低水平逐漸恢復，并達到最高點（圖1B點），稱為肌氧含量的恢復值，其變化幅度為 H。隨后呈緩慢下降趨勢并逐漸恢復到一定水平。

圖1 本研究受試運動員肌氧含量變化曲線圖注：A點表示運動停止即刻，B點表示△[HbO2]恢復至最高點，C點表示△[HbO2]恢復至最高點1/2的對應點。

3.2 肌氧含量恢復參數(shù) H、TR與RHbO2各指標變化情況

對14名運動員肌氧的實測信號進行分析，根據(jù)運動后△[HbO2]的恢復值H，找到△[HbO2]恢復到最高濃度一半（H/2）時所需的時間（圖1C點），即肌氧含量半恢復時 TR（圖1）[12]；通過公式（1）計算出△[HbO2]的半恢復速率（Half recovery rate of muscleoxygenation，RHbO2）。

14名運動員H、TR與RHbO2變化情況如表2所示。

表2 本研究受試14名運動員肌氧變化參數(shù)H、TR與RHbO2一覽表

3.3 血乳酸恢復曲線及Blamax、t、Bla30與RBla各指標的變化情況

圖2為14名運動員運動后恢復期血乳酸的變化曲線，反映運動后即刻、血乳酸濃度達到峰值（Blamax）以及逐漸下降的變化趨勢。從圖2和表3中可以看出，運動后即刻Bla、血乳酸濃度峰值（Blamax）與峰值出現(xiàn)的時間（t）以及恢復半小時后血乳酸濃度（Bla30）各不相同。按照公式（2）計算出14名運動員的血乳酸清除速率（Bla eliminational rate，RBla）[6]，結果如表3所示。

圖2 本研究受試14名運動員恢復期血乳酸變化曲線圖

表3 本研究受試14名運動員血乳酸恢復參數(shù)Blamax、t、Bla30和RBla一覽表

3.4 肌氧半恢復速率 RHbO2與血乳酸清除速率 RBla的關聯(lián)性

對RHbO2和RBla進行對比研究，發(fā)現(xiàn)二者存在明顯的相關關系（表4），r=0.791，P＜0.01。進一步建立線性回歸方程，回歸方程的決定系數(shù)為0.626（圖3），經ANOVA檢驗回歸方程具有顯著意義（表5）。

表4 本研究RHbO2與RBla相關性分析一覽表

表5 本研究回歸方程顯著性檢驗方差分析一覽表

圖3 本研究RHbO2與RBla的線性回歸方程

4 分析與討論

4.1 運動后肌氧恢復特征分析

人體組織中密布著大量的微血管，包括微動脈、毛細血管和微靜脈，肌氧含量即為骨骼肌微血管中血紅蛋白濃度相對變化的加權平均，反映組織中 Hb與氧結合及離解的動態(tài)變化[2]。在運動過程中，骨骼肌組織能量消耗增加，氧氣從 HbO2解離并彌散入肌細胞參與能量物質代謝，微血管中 HbO2下降，肌氧含量出現(xiàn)“負平衡”。隨著運動負荷的增加，O2不斷解離以滿足運動時肌肉組織中的大量氧耗，Hb與O2結合的程度出現(xiàn)與運動負荷相適應的改變，肌氧含量隨著運動負荷的增加呈現(xiàn)逐級下降的現(xiàn)象。運動達到力竭時，組織微血管中 HbO2濃度達到最低水平。運動停止后，肌氧曲線從最低水平逐漸回升。肌氧的變化曲線是運動后組織局部氧化代謝水平和氧含量的恢復程度的反映。分析認為，運動后物質代謝由運動時的高水平逐漸恢復到安靜狀態(tài)，O2的動員和利用程度也出現(xiàn)與之適應性的變化，微血管中 HbO2濃度上升，肌氧含量向“正平衡”方向發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，在一定時間段內肌氧含量的恢復曲線明顯超過安靜時的水平。有研究者提出，運動后肌氧含量的恢復存在超過安靜時水平的現(xiàn)象，稱為肌氧含量的“超量恢復”[10]。超量恢復是運動訓練后恢復期物質代償性變化的基本規(guī)律，本研究發(fā)現(xiàn)，在遞增強度運動后，肌氧含量出現(xiàn)的該恢復現(xiàn)象是一種暫時性的表現(xiàn)，△[HbO2]恢復至最高點隨后緩慢下降并逐漸恢復至安靜水平。分析認為，運動停止后肌肉活動雖然停止，但機體仍處于高代謝水平，循環(huán)系統(tǒng)的適應性變化是仍保持高的血流供應；肌肉組織中血管處于擴張狀態(tài)，大量血液供應到運動肌肉，組織微血管中的 Hb與O2進一步結合；同時，局部組織微血管中O2的供應超過肌細胞的利用能力，微靜脈中△[HbO2]濃度逐漸上升，甚至超過安靜時的水平，因此，出現(xiàn)所謂的“超量恢復”現(xiàn)象。當組織內環(huán)境逐步趨于穩(wěn)定，微血管中 Hb與O2結合和解離達到整體的動態(tài)平衡并逐漸恢復至安靜狀態(tài)。

遞增負荷運動后，運動員肌氧含量恢復幅度 H和半恢復時 TR各不相同。恢復曲線斜率高，恢復幅度大，則局部肌組織 HbO2發(fā)生的相對變化越大。H值反映肌肉代謝與氧傳遞的對照關系，當氧的供給和利用超過局部組織的代謝需要時出現(xiàn)“正平衡”。通過 H的變化可以反映機體的不同恢復階段和氧化代謝變化，但并不能評價個體肌氧的恢復能力。有研究者認為，可以用肌氧含量的半恢復時TR作為評定肌氧恢復能力的參數(shù)，恢復時間短則說明恢復能力強。有氧代謝能力愈好，則恢復的時間必然愈短，肌氧恢復早[8]。筆者認為，不考慮恢復幅度，僅看恢復時間快慢不足以說明問題。肌氧含量半恢復速率RHbO2由恢復幅度和恢復時間雙重因素決定，反映肌氧恢復的快慢，與機體的恢復能力密切相關。分析認為，肌氧恢復的速率主要受血液運輸氧氣以及局部組織動員、攝取和利用氧氣的能力的影響。運動后肌氧的迅速恢復，可以滿足肌肉組織中償還氧債的需要；同時，促進代謝中間產物血乳酸的氧化利用和代謝廢物的清除，為氧化代謝、能量恢復和疲勞消除提供重要保障。

4.2 恢復期血乳酸的變化特點分析

運動時骨骼肌是乳酸產生的主要場所，乳酸的生成量與運動肌纖維的類型和代謝速率密切相關。通過血乳酸的變化可以了解體內乳酸生成和代謝變化特點，作為訓練強度掌握和運動員代謝能力評價的依據(jù)[3]。研究發(fā)現(xiàn)，運動后即刻血乳酸值存在較大個體差異。分析認為運動后血乳酸濃度高，說明運動員狀態(tài)不佳或者氧化代謝能力較差。運動停止后即刻血乳酸并未達到最高值，恢復過程中Bla持續(xù)升高，經過數(shù)分鐘達到峰值，這與現(xiàn)有的研究結果一致[5]。研究認為，運動時乳酸主要在骨骼肌中生成，需要透過肌細胞膜進入血液，肌乳酸與血乳酸之間達到濃度平衡需要4～10 min[3]。

運動后乳酸通過不同途徑被清除，主要包括：轉移到臨近具有高細胞氧化能力的慢收縮肌纖維內氧化；隨血液轉運到其他低運動強度的骨骼肌和心肌內氧化；在肝內糖異生成葡萄糖，維持血糖水平和提供骨骼肌的能源物質。關于乳酸的消除，原先的觀點認為，主要是乳酸在運動后運往肝臟后被代謝，但近年來運用14C示蹤研究的表明，乳酸在肌肉中被氧化代謝是運動時乳酸被清除的主要途徑。研究認為，乳酸的產生所導致的酸性代謝產物的堆積、機體內環(huán)境的改變，造成機能失調和工作能力下降，是誘發(fā)疲勞發(fā)生的重要因素。因此，乳酸的迅速清除有利于高強度運動時肌纖維的收縮能力的保持和機體運動能力的維持。乳酸的清除速率與機體清除乳酸的能力有關，運動后血乳酸清除速率可以反映機體的有氧代謝能力[15]。乳酸是機體氧化代謝的底物，有氧代謝能力強，產生的乳酸能迅速轉運到骨骼肌或心肌中被氧化清除；乳酸的清除使機體的內環(huán)境趨于穩(wěn)定，促進運動后疲勞的消除。因此，血乳酸清除速率是評價機體氧化代謝能力和疲勞消除能力的重要指標。

4.3 肌氧半恢復速率與血乳酸清除速率的關聯(lián)性分析

通過上述分析，肌氧半恢復速率與血乳酸清除速率是反映機體氧化代謝能力和恢復能力的有效指標。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，兩者存在顯著的正相關，且均與循環(huán)系統(tǒng)的運輸能力、組織毛細血管網密度、肌纖維類型密切相關，從內在關聯(lián)性分析存在必然的聯(lián)系。組織中毛細血管豐富、血氧供應水平高、組織攝取和利用氧氣的能力強，是運動后肌氧恢復和乳酸清除的保證。循環(huán)系統(tǒng)的運輸能力強，有利于氧氣運輸?shù)浇M織局部，促進肌氧含量的恢復；同時，將代謝產物轉運和排出。乳酸的消除與收縮肌纖維的類型和代謝速率的關系密切，I型肌纖維豐富和血管網密度高，從而提高乳酸的清除速率，而I型肌纖維豐富和血管網密度高是有氧代謝能量強的一個重要因素，它屬于高氧化型纖維，能加速乳酸的清除。肌氧半恢復速率高說明機體對氧的輸送、動員和恢復能力強，這與局部肌肉的纖維類型也存在密切關系。I型肌纖維具有豐富的毛細血管分布，肌纖維的線粒體數(shù)量多、體積大且氧化酶活性高，蛋白含量也高，有利于運動后肌氧的迅速恢復，提升肌氧半恢復速率。肌氧的恢復和血乳酸的清除存在的影響是相互的。肌氧恢復迅速，組織中氧含量高，可以促進乳酸的氧化清除；同時乳酸的清除可以改善機體的內環(huán)境，有利于肌氧含量的恢復。

肌氧參數(shù)及近紅外光譜術在運動領域中的應用尚處于探索階段，對于該參數(shù)和技術的應用與推廣必須建立在現(xiàn)有的指標體系基礎上。通過上述研究不難發(fā)現(xiàn)，從理論角度分析，肌氧含量半恢復速率 RHbO2與現(xiàn)有指標體系中血乳酸清除速率RBla之間存在顯著正相關，從運動人體科學內在機制分析也存在必然的聯(lián)系，為RHbO2取代RBla提供了強有力的理論依據(jù)。從檢測技術角度分析，近紅外光譜術可以實現(xiàn)在體、實時、連續(xù)、無損檢測，與傳統(tǒng)的血乳酸檢測手段相比較，具有不可替代的特色和優(yōu)勢，為近紅外光譜術的實際應用提供了強有力的實踐支撐。

5 結論

運動后肌氧含量的變化可以采用近紅外光譜術進行連續(xù)、實時、動態(tài)監(jiān)測。肌氧含量的恢復特點是：運動停止后，肌氧含量從最低水平逐漸回升；在一定時間段內肌氧含量的恢復程度明顯超過安靜時的水平；隨后緩慢下降恢復至安靜狀態(tài)。肌氧的變化曲線是運動后組織局部氧化代謝水平和氧含量的恢復程度的客觀反映。運動后即刻血乳酸呈現(xiàn)個體差異，可以反映運動員身體機能狀況。血乳酸在運動后經過數(shù)分鐘，達到峰值，隨后逐漸下降。通過肌氧和血乳酸的檢測，可以評價機體的恢復能力和氧化代謝能力。肌氧半恢復速率 RHbO2和血乳酸清除速率 RBla存在顯著的正相關性，且存在機制上的必然聯(lián)系，將RHbO2取代傳統(tǒng)指標 RBla應用于代謝能力和恢復評價具有可行性，且具有理論與實踐意義。近紅外光譜術存在在體、實時、連續(xù)、無損的特點，為訓練監(jiān)控的科學化發(fā)展提供了強有力的檢測手段，具有廣闊的應用前景。

限于研究條件和實際應用中的問題，筆者認為，一些問題仍難于避免和有待探索，主要體現(xiàn)在：1）肌氧含量主要反映骨骼肌局部機能的變化，而血乳酸檢測系末梢血液，兩者檢測點不一致，在兩參數(shù)變化的同步性仍有待探索。2）本研究使用的對比參數(shù)有限，重點研究了肌氧與血乳酸兩類指標，進一步研究過程中應考慮其他檢測指標的聯(lián)合應用，加強不同參數(shù)一致性分析與建模研究，為驗證肌氧指標使用的科學性提供廣泛的支撐。

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