近紅外光譜技術(shù)在短道速度滑冰運動員無氧閾訓(xùn)練中應(yīng)用效果的研究

梁景超

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以20名運動等級為國家二級的短道速度滑冰運動員作為實驗的研究對象，其中10名為男性短道速度滑冰運動員，10名為女性短道速度滑冰運動員。將20名短道速度滑冰運動員隨機分為2組，每組由5名男性短道速度滑冰運動員和5名女性短道速度滑冰運動員組成，分別為實驗組與對照組。受試者均無疾病，對本實驗知情同意。

1.2 儀器與設(shè)備

荷蘭產(chǎn)PortaLite實時無線血氧監(jiān)測系統(tǒng)、芬蘭產(chǎn)Polar團隊系統(tǒng)Team2、瑞典產(chǎn)Monark 839E功率自行車、德國產(chǎn)EKF lactate scout便攜式乳酸測定儀。

1.3 實驗法

1.3.1 實驗方案的設(shè)計

由于功率自行車訓(xùn)練屬于短道速度滑冰運動員在非冰期的主要耐力訓(xùn)練手段，且非常接近冰上的專項動作特點，因此本實驗選擇使用Monark 839E功率自行車進行遞增負(fù)荷測試。測試前所有受試者先進行10分鐘功率為90W，轉(zhuǎn)數(shù)為70rpm的熱身，休息3到5分鐘后，以功率為90W，轉(zhuǎn)數(shù)為70rpm的初始負(fù)荷，每3分鐘遞增35W的方式作為遞增方案。實驗組受試運動員持續(xù)運動到力竭，力竭標(biāo)準(zhǔn)要求受試運動員不能繼續(xù)運動，雖然鼓勵仍不能堅持或本人伸手示意停止則實驗結(jié)束，實驗全程記錄肌肉血氧相關(guān)參數(shù)和心率，遞增負(fù)荷測試后對實驗數(shù)據(jù)進行分析，找出拐點所對應(yīng)的時間與心率，并將該心率視為實驗組運動員無氧閾強度對應(yīng)的心率。對照組在每級負(fù)荷結(jié)束時即刻采集指尖血測血乳酸進行乳酸測試，并記錄對應(yīng)的心率及功率，測試后對數(shù)據(jù)進行分析找出血乳酸濃度為4mmol/L所對應(yīng)的功率與心率。然后兩組受試者按照各自無氧閾強度所對應(yīng)的心率進行為期4周無氧閾強度的功率自行車訓(xùn)練，每周進行2次，每次總訓(xùn)練時間為30分鐘，分成2組進行。4周后在同等條件下重復(fù)遞增負(fù)荷測試，分析兩種訓(xùn)練效果的差異。

1.3.2 肌肉血氧相關(guān)參數(shù)的測定

使用荷蘭產(chǎn)PortaLite實時無線血氧監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測肌肉血氧相關(guān)參數(shù)，測試時選取蹬踏功率自行車訓(xùn)練時的主動肌——股外側(cè)肌為待測肌肉，待測點的位置為右腿股外側(cè)肌肌腹。將傳感器探頭的縱軸平行于股外側(cè)肌放置在待測點處，為防止汗水浸入探頭影響監(jiān)測精度，在探頭與大腿皮膚之間貼一層透光塑料薄膜,用黑色布料覆蓋住待測位置，并用彈性繃帶固定住探頭。固定彈性繃帶的松緊度要適度,既要保持探頭與皮膚之間的良好接觸,避免在運動過程中因探頭移動或脫落而造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,又不能壓迫肢體造成缺血[16,17]。每次測試前均需進行監(jiān)測系統(tǒng)的初始化,約2分鐘左右出現(xiàn)穩(wěn)定值后再開始正式記錄肌肉血氧相關(guān)參數(shù)，采樣頻率設(shè)置為10Hz，實驗數(shù)據(jù)經(jīng)高斯法(Gaussian)處理。

1.4 數(shù)理統(tǒng)計法

運用Microsoft Excel 2016軟件完成實驗所需要的各種圖表，運用SPSS19.0軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析，得出的測試數(shù)據(jù)均用±SD的形式表示。分別對實驗組與對照組運動員的兩次遞增負(fù)荷測試數(shù)據(jù)進行配對樣本-T檢驗，對兩組間運動員的兩次遞增負(fù)荷測試數(shù)據(jù)進行獨立樣本-T檢驗。取P<0.05為具有顯著性差異，P<0.01為具有非常顯著性差異。

2 實驗結(jié)果

2.1 遞增負(fù)荷測試期間肌肉血氧相關(guān)參數(shù)的變化

圖1 A運動員4周前遞增負(fù)荷測試期間肌肉血氧相關(guān)參數(shù)的變化圖

圖1和圖2是實驗組A運動員兩次遞增負(fù)荷測試期間肌肉血氧相關(guān)參數(shù)的變化圖，圖中的線從上至下分別代表脫氧血紅蛋白(HHb)含量變化值、總血紅蛋白(tHb)含量變化值和氧合血紅蛋白(O2Hb)含量變化值。從圖中可以看到A運動員第一次遞增負(fù)荷測試時，O2Hb含量變化值在大約第433s處出現(xiàn)拐點。經(jīng)過4周的乳酸閾強度的訓(xùn)練后，A運動員在進行第二次遞增負(fù)荷測試時，拐點出現(xiàn)在大約第515s處，相對第一次延后了約82s。

2.2 實驗組兩次遞增負(fù)荷測試期間拐點出現(xiàn)的時間與對應(yīng)心率

表1反映了實驗組10名短道速度滑冰運動員兩次遞增負(fù)荷測試期間拐點出現(xiàn)的時間與對應(yīng)心率，第一次遞增負(fù)荷拐點出現(xiàn)的時間為(391.70±58.39)s，對應(yīng)心率為(153.50±3.44)bpm；第二次遞增負(fù)荷拐點出現(xiàn)的時間為(522.50±62.05)s，對應(yīng)心率為(158.7±2.91)bpm，第二次遞增負(fù)荷拐點出現(xiàn)的時間相對第一次延后了(130.80±28.70)s。通過配對樣本-T檢驗，第二次遞增負(fù)荷拐點出現(xiàn)的時間比第一次遞增負(fù)荷的時間相對較長，且二者具有非常顯著性差異(P<0.01)，第二次遞增負(fù)荷出現(xiàn)拐點對應(yīng)的心率也比第一次遞增負(fù)荷的心率相對較高，且二者非常具有顯著性差異(P<0.01)。

圖2 A運動員4周后遞增負(fù)荷測試期間肌肉血氧相關(guān)參數(shù)的變化圖

表1 實驗組兩次遞增負(fù)荷測試期間拐點出現(xiàn)的時間與對應(yīng)心率

2.3 對照組兩次遞增負(fù)荷測試期間血乳酸濃度為4mmol/L時對應(yīng)的功率與心率

表2反映了對照組10名短道速度滑冰運動員兩次遞增負(fù)荷測試期間血乳酸濃度為4mmol/L時對應(yīng)的功率與心率，第一次遞增負(fù)荷血乳酸濃度為4mmol/L時對應(yīng)的功率為(166.0±10.68)W，心率為(152.0±4.97)bpm；第二次遞增負(fù)荷血乳酸濃度為4mmol/L時對應(yīng)的功率為(189.20±12.21)W，心率為(156.20±4.71)bpm。通過配對樣本-T檢驗，第二次遞增負(fù)荷血乳酸濃度為4mmol/L時對應(yīng)的功率比第一次遞增負(fù)荷的功率相對較高，且二者非常具有顯著性差異(P<0.01)，第二次遞增負(fù)荷血乳酸濃度為4mmol/L時對應(yīng)的心率也比第一次遞增負(fù)荷心率相對較高，且二者非常具有顯著性差異(P<0.01)。

3 分析與討論

監(jiān)控運動時骨骼肌內(nèi)氧供應(yīng)與氧消耗的狀況對于了解運動時人體的身體機能狀況、科學(xué)指導(dǎo)運動訓(xùn)練、評價訓(xùn)練效果等有著重要的參考價值。進入血液的O2只有約1.5%溶于血漿，98.5%進入紅細胞并與血紅蛋白(Hb)結(jié)合形成O2Hb[6]。在骨骼肌中，O2Hb釋放出O2后，能夠有效地接受[H]+形成HHb。當(dāng)血液流經(jīng)肺部時，HHb從肺泡中攝取O2形成O2Hb和[H]+，O2Hb會再次隨著血液到達骨骼肌中為骨骼肌提供氧氣。而波長為700900nm的近紅外光對人體有良好的穿透性，此波段中O2Hb和HHb是主要的吸收體，且二者的吸收譜存在顯著差異[7]，因此可以應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)實時監(jiān)測運動骨骼肌在不同負(fù)荷運動時這兩項參數(shù)含量的變化，使人體骨骼肌內(nèi)的氧供應(yīng)與氧消耗狀況可以通過無創(chuàng)的方法進行監(jiān)測，為監(jiān)測人體運動中骨骼肌內(nèi)的氧供狀態(tài)提供了新的途徑[8]。

表2 對照組兩次遞增負(fù)荷測試期間血乳酸濃度為4mmol/L時對應(yīng)的功率與心率

3.1 拐點的形成與意義

從圖1和圖2可以看到，該名受試運動員在進行兩次遞增負(fù)荷測試期間O2Hb含量均呈現(xiàn)下降趨勢，而當(dāng)達到一定負(fù)荷強度時，O2Hb含量會出現(xiàn)較大幅度下降現(xiàn)象而形成拐點。拐點出現(xiàn)之前，受試運動員體內(nèi)以有氧供能方式為主。當(dāng)進行低負(fù)荷運動時，其骨骼肌主要募集的是慢肌纖維，慢肌纖維中儲存有一定量的氧，肌紅蛋白的含量也比較豐富，毛細血管網(wǎng)較為發(fā)達，線粒體體積大而且多，線粒體中的有氧代謝酶活性較強，因而慢肌纖維具有較強的有氧代謝能力，使得O2Hb含量下降較少[6]。隨著運動強度的加大，骨骼肌募集的快肌纖維開始逐漸增多，在快肌纖維中以磷酸甘油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)為主，由于該轉(zhuǎn)運系統(tǒng)轉(zhuǎn)運NADH的能力明顯低于蘋果酸轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，所以，它不能及時地將胞漿NADH轉(zhuǎn)運的線粒體氧化，從而導(dǎo)致NADH濃度顯著升高，NADH/NAD比值明顯增加，細胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)發(fā)生改變，可加速乳酸的生成。與此同時，具有較高的酵解酶活性和較低氧化酶活性的快肌纖維的迅速募集也可使乙酰CoA氧化受阻，當(dāng)酵解速率大于氧化磷酸化速率時，可導(dǎo)致乙酰CoA大量堆積，乙酰CoA/CoA比值迅速升高。NADH/NAD和乙酰CoA/CoA比值增加有利于丙酮酸脫氫酶從有活性狀態(tài)向無活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而降低氧化磷酸化作用。另外，磷酸肌酸和ATP的降低和代謝產(chǎn)物Pi、6-磷酸果糖、ADP及AMP的積累，可激活磷酸果糖激酶(PFK)的活性而引起糖酵解過程加強。以上多種因素的綜合作用，使乳酸生成迅速地增加[9]。部分乳酸擴散入血，在肝臟中經(jīng)糖異生重新轉(zhuǎn)變成糖原或葡萄糖，循環(huán)利用，該過程也需要氧和能量的供給，造成O2Hb含量的下降。另一方面，骨骼肌的強力收縮限制了骨骼肌中的血流量，使得氧供給量也受到了限制，O2Hb的解離愈加明顯。

拐點出現(xiàn)之后，O2Hb含量出現(xiàn)較大幅度下降的現(xiàn)象，主要原因在于大強度運動時，骨骼肌肌細胞內(nèi)外乳酸等各種酸性代謝產(chǎn)物的顯著增多并開始積累,PCO2和[H]+濃度增高,由于波爾效應(yīng)使血紅蛋白對O2的親和力下降,氧離曲線右移，從而釋放出更多的O2，透入肌肉的近紅外光便檢測到HHb含量增多而O2Hb含量顯著減少[10,11]。Stinger等[12]通過實驗發(fā)現(xiàn)從中等強度運動到大強度運動的過程中，股靜脈PO2僅有較小的變化,但氧容量卻隨著強度的增加出現(xiàn)了明顯的下降,從而推測在大強度運動過程中PO2值很低時,乳酸在促進氧離中起到了重要的作用。Wasserman等[13]也推測大強度運動時,局部內(nèi)環(huán)境的酸化促進O2Hb釋放O2是線粒體攝取O2的重要來源。因此，拐點是反映機體內(nèi)的代謝方式由有氧供能為主過渡到無氧供能為主的點，拐點所對應(yīng)的運動強度即為個體乳酸閾所對應(yīng)的強度。

3.2 兩種訓(xùn)練效果的對比

評定運動員的有氧工作能力一般用最大攝氧量(VO2max)和乳酸閾(LT)這兩個重要的指標(biāo)，但是二者反應(yīng)了不同的生理機制，前者反映的是心肺功能，后者反映的是骨骼肌的代謝水平。許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)耐力性項目運動員在長時間的訓(xùn)練后，雖然有氧耐力有顯著的提高，但機體最大攝氧量并無明顯提高。最大攝氧量(VO2max)因受到遺傳因素的影響，通過后天訓(xùn)練來提高的可能性較小，而乳酸閾受先天遺傳因素影響較小，其可訓(xùn)練性較大，所以通過乳酸閾強度訓(xùn)練能夠大大提高運動員的有氧耐力。乳酸閾強度訓(xùn)練能夠通過主動脈體和靜動脈體化學(xué)感受器的效應(yīng)，刺激呼吸系統(tǒng)和加強血液循環(huán)系統(tǒng)工作能力，增加氧的攝入和加強氧的運輸，同時促使細胞線粒體的數(shù)量增加、體積加大，提高線粒體細胞色素氧化酶的活性，使氧的利用率大幅度提高，運動員的有氧耐力得到增強[15]。

目前，國內(nèi)外較為廣泛地認(rèn)為乳酸無氧閾大小可以用血乳酸濃度達到4mmol/L時的運動強度、功率、耗氧量或最大攝氧量百分比來表示。然而有研究表明[14]，乳酸代謝存在較大的個體差異，遞增負(fù)荷運動時血乳酸急劇上升時的乳酸水平在1.4～7.5mmol/L之間，而且不同運動項目、不同運動員及相同運動員的不同訓(xùn)練階段，乳酸閾值都是變動的，需要根據(jù)不同運動員的具體情況，提供針對性的有氧訓(xùn)練計劃，根據(jù)個體乳酸閾的強度選擇最佳的訓(xùn)練強度。因此，個體乳酸閾更能客觀、準(zhǔn)確、科學(xué)地反映機體有氧工作能力的高低，用個體乳酸閾指導(dǎo)運動訓(xùn)練已被教練員和運動員廣泛接受，并成為運動生理學(xué)和運動生物化學(xué)重要的研究課題。

通過對實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可以看到，兩組運動員的有氧能力均得到了顯著提升，說明近紅外光譜技術(shù)能夠應(yīng)用于短道速度滑冰運動員無氧閾訓(xùn)練中。本實驗在比較兩組之間運動員有氧能力提升方面，僅能用無氧閾心率提升值作為比較指標(biāo)，而實驗組的拐點延后時間與對照組血乳酸濃度為4mmol/L時對應(yīng)功率的提高量這兩個指標(biāo)，雖然都能直接反映運動員有氧能力的提升，但是這兩個指標(biāo)之間無法進行較為恰當(dāng)?shù)膿Q算與比較。因此，單從無氧閾心率提升值方面看，實驗組無氧閾心率提升值為(5.20±1.14)bpm，對照組無氧閾心率提升值為(4.20±0.92)bpm，通過獨立樣本-T檢驗可知，雖然實驗組無氧閾心率提升值略大于對照組無氧閾心率提升值，但是這兩組之間不具有顯著性差異(P>0.05)。說明運用近紅外光譜技術(shù)測無氧閾的方法可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)運用4mmol/L血乳酸濃度測試無氧閾強度的方法，而且該方法具有無創(chuàng)、測試操作方法簡單、實驗期間基本沒有產(chǎn)生耗材、比較節(jié)省測試費用等優(yōu)點，但是該測試方法需通過多種儀器協(xié)同完成，若想要在運動訓(xùn)練中廣泛的應(yīng)用此技術(shù)，還有待相關(guān)儀器的升級。

4 結(jié)論

近紅外光譜技術(shù)能夠應(yīng)用于短道速度滑冰運動員無氧閾訓(xùn)練中，并能無創(chuàng)測定運動員個體乳酸閾，經(jīng)過4周乳酸閾強度訓(xùn)練，運動員有氧能力得到了顯著提升，為近紅外光譜技術(shù)在運動訓(xùn)練中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

通過近紅外光譜技術(shù)測試無氧閾的方法可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)運用4mmol/L血乳酸濃度測試無氧閾強度的方法，而且測試方法無創(chuàng)、簡單以及廉價。

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