應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)測量肌氧水平的最新進(jìn)展

袁超群

摘 要：人們對肌氧的測量有著越來越大的興趣，近紅外光譜技術(shù)（Near-infrared spectroscopy，NIRS）可以無創(chuàng)、連續(xù)、實(shí)時(shí)地測量局部骨骼肌氧水平的變化。NIRS因其無創(chuàng)、實(shí)時(shí)、連續(xù)的特點(diǎn)也越來越受到關(guān)注，本文從NIRS用于肌肉耐力評價(jià)、訓(xùn)練監(jiān)控、疲勞評估及其技術(shù)革新等方面進(jìn)行綜述。NIRS對局部肌氧變化的測量具有良好的可重復(fù)性，其結(jié)果與其他測量方法具有一致性，可準(zhǔn)確評估局部骨骼肌氧代謝情況。

關(guān)鍵詞：近紅外光譜技術(shù) 肌氧 運(yùn)動(dòng)評價(jià)

中圖分類號：O433 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2813（2018）07（b）-0011-02

人們對肌氧水平的監(jiān)測有越來越大的興趣。隨著無創(chuàng)技術(shù)的發(fā)展，近紅外光譜技術(shù)（Near-infrared spectroscopy，NIRS）使得直接測量局部骨骼肌氧合血紅蛋白（HbO2）和氧合肌紅蛋白（MbO2）的變化成為可能。目前，NIRS已被廣泛用于測量運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)肌血容量和肌氧含量的改變，客觀估測運(yùn)動(dòng)肌的有氧代謝狀況。而且，采用NIRS進(jìn)行肌氧水平的監(jiān)測具有良好的可重復(fù)性[1]。

1 NIRS肌氧測定原理

700～1000nm的近紅外光可以穿透皮膚、皮下脂肪及深層的肌肉。在穿透組織時(shí)，近紅外光可被氧依賴的生色基團(tuán)（如HbO2、MbO2以及線粒體有氧酶等）吸收，且這種吸收作用在運(yùn)動(dòng)和缺氧時(shí)是變化的。局部小血管（如毛細(xì)血管、動(dòng)靜脈血管）是NIRS 測試的肌氧變化的主要來源，這些小血管的變化與肌肉血流量、局部組織氧攝取及靜脈回流有關(guān)。NIRS檢測的肌氧水平反映的是氧供與氧耗平衡關(guān)系的變化，它只是一種變化趨勢而不是氧含量值的量化。

2 NIRS在肌氧測量中的應(yīng)用

2.1 肌肉耐力評估

肌肉耐力是指肌肉持續(xù)性維持一定強(qiáng)度的靜力性收縮或做多次一定強(qiáng)度的動(dòng)力性收縮的能力。根據(jù)運(yùn)動(dòng)是身體活動(dòng)的部位以及參與的肌肉數(shù)量，可將肌肉耐力分為局部耐力和全身耐力。其中局部肌肉耐力與血紅蛋白含量、線粒體的數(shù)量及氧化酶活性、骨骼肌毛細(xì)血管密度等因素密切相關(guān)。

由于在氧化磷酸化能量供應(yīng)中的生物能量作用，線粒體在細(xì)胞功能中扮演著重要角色。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對線粒體氧化能力的影響已經(jīng)眾所周知，缺乏體力活動(dòng)、衰老以及一些病理?xiàng)l件與線粒體功能降低有關(guān)。有研究指出[2]，前臂屈肌群耐力訓(xùn)練前后，采用NIRS測量每3～7天肌肉耗氧恢復(fù)率可以反應(yīng)線粒體功能；而且，結(jié)果顯示運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練四周后，線粒體功能呈線性增加，但停訓(xùn)后呈指數(shù)下降，平均半衰期為7.7天。此外，耐力運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)后肌肉耗氧恢復(fù)率比用NIRS測量的非活動(dòng)者快兩倍。這些測量結(jié)果與線粒體測量的金標(biāo)準(zhǔn)（肌肉活檢）、磁共振波譜研究相一致[3]，同時(shí)具有良好的可重復(fù)性。這說明，作為一種無創(chuàng)檢測技術(shù)，NIRS可以檢測線粒體功能的改變以反應(yīng)肌肉耐力的變化。

2.2 訓(xùn)練監(jiān)控

由于無創(chuàng)、實(shí)時(shí)、在體、連續(xù)的特點(diǎn)，NIRS檢測肌氧技術(shù)被應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中。張騰等[4]利用NIRS與心肺功能儀對游泳運(yùn)動(dòng)員遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測，中、分析骨骼肌內(nèi)氧合血紅蛋白（HbO2）、攝氧量（VO2）、二氧化碳呼出量（VCO2）和血乳酸（LA）之間的關(guān)系，并分析最大攝氧量（VO2max）、相對VO2max、乳酸閾（LT）、通氣閾（VT）與運(yùn)動(dòng)成績之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，運(yùn)動(dòng)員HbO2含量與VO2和LA均呈現(xiàn)高度相關(guān)； 運(yùn)動(dòng)員的VO2max、VT、LT值與運(yùn)動(dòng)成績的顯著相關(guān)。除了在傳統(tǒng)訓(xùn)練中的應(yīng)用，NIRS也可用于高原訓(xùn)練的監(jiān)控。秦阿妮[5]利用NIRS監(jiān)測高住高練低訓(xùn)訓(xùn)練前后，運(yùn)動(dòng)員在相同條件下完成同等負(fù)荷運(yùn)動(dòng)的肌氧變化，發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練后，運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過程中肌氧下降的幅度明顯減小，且血乳酸與肌氧及脈搏血氧飽和度均呈高度負(fù)相關(guān)。以上這些高度相關(guān)性說明NIRS能正確反映運(yùn)動(dòng)員身體代謝狀態(tài)，對監(jiān)測運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練效果具有重要意義。此外，極量強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)對心臟具有一定沖擊，這種對心臟的沖擊影響發(fā)生在極量強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)停止瞬間之后的一定時(shí)間內(nèi)。NIRS結(jié)合心率采集系統(tǒng)可以正確檢測極量強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)的血氧參數(shù)和心率， 揭示極量強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)過程中肌肉氧運(yùn)輸與消耗的過程及其與心率之間的動(dòng)力學(xué)特征，做好預(yù)測[6]。

2.3 其他方面的應(yīng)用

年齡是慢性病的最大危險(xiǎn)因素，與功能和生活質(zhì)量顯著下降有關(guān)。導(dǎo)致老年人功能喪失的一個(gè)關(guān)鍵因素是骨骼肌功能的下降。雖然機(jī)制仍然不明確，但與年齡相關(guān)的線粒體功能障礙在其中發(fā)揮了重要作用。Chung等[7]研究了15名獨(dú)立生活的老年人和17名青年志愿者前臂肌肉氧化功能與肌肉氧耗恢復(fù)動(dòng)力學(xué)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)衰老與運(yùn)動(dòng)后氧化恢復(fù)時(shí)間的顯著延長有關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)表明，在非運(yùn)動(dòng)骨骼肌中，線粒體功能隨著年齡的增長而總體降低。利用NIRS獲得的這些數(shù)據(jù)對于老年人骨骼肌氧化功能在臨床上的定量評估具有很大的價(jià)值。

骨科和康復(fù)醫(yī)師經(jīng)常指導(dǎo)患者抬高創(chuàng)傷或術(shù)后下肢。眾所周知，抬高傷肢可以有效減少腫脹、傷口并發(fā)癥以及間隔綜合征的風(fēng)險(xiǎn)。然而肢體抬高，腔室壓力增加，組織灌注壓卻降低且易引起組織缺血。為了確定肢體抬高對肌肉氧飽和度的影響，Palanca等[8]測量了26名健康成年人在正常（對照組）和模擬創(chuàng)傷狀態(tài)（實(shí)驗(yàn)組）下，下肢相對于心臟抬高0cm、15cm、30cm的小腿脛前間隔區(qū)肌肉氧飽和度；經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，肌肉氧飽和度會(huì)隨著肢體的抬高而成漸進(jìn)性下降的趨勢（每抬高1cm肌肉的局部氧飽和度就下降0.12%）。

3 NIRS技術(shù)革新

3.1 連續(xù)波近紅外光譜儀

人們對肌氧的測量有著越來越大的興趣，NIRS因其無創(chuàng)、實(shí)時(shí)、連續(xù)的特點(diǎn)也越來越受到關(guān)注，但是大多數(shù)近紅外光譜系統(tǒng)是既笨重又昂貴的光纖耦合設(shè)備，使其不能充分應(yīng)用于真實(shí)的運(yùn)動(dòng)過程。目前，一種新型的、低成本的、無線可穿戴式NIRS已經(jīng)研發(fā)成功。Farzam等[9]將這種新型的連續(xù)波近紅外光譜儀（CWNIRS）與傳統(tǒng)臺式頻域近紅外光譜儀（FDNIRS）進(jìn)行了對比，在遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)中監(jiān)測肌氧并與血乳酸進(jìn)行對比分析。CWNIRS憑借其配備的專有軟件，能夠在循環(huán)測試一個(gè)功率增量的一半內(nèi)預(yù)測運(yùn)動(dòng)員的乳酸閾功率。

3.2 水下NIRS測量

由于游泳運(yùn)動(dòng)的特殊性，關(guān)于游泳運(yùn)動(dòng)員的肌氧監(jiān)測大多局限于在功率自行車上做遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)，缺少對游泳運(yùn)動(dòng)水下實(shí)時(shí)監(jiān)測。而便攜式、防水NIRS裝置的研制使其成為可能，也為游泳鍛煉過程中發(fā)生的生理變化提供新的認(rèn)識。已有學(xué)者采用這種水下NIRS監(jiān)測手段進(jìn)行研究，比如：觀察游泳運(yùn)動(dòng)員與鐵人三項(xiàng)運(yùn)動(dòng)員在完成200m自由泳過程中股外側(cè)肌和背闊肌肌氧的變化。該研究發(fā)現(xiàn)游泳運(yùn)動(dòng)員的速度明顯快于鐵人三項(xiàng)運(yùn)動(dòng)員，且在200m自由泳過程中游泳運(yùn)動(dòng)員使用背闊肌與股外側(cè)肌的程度相似，而鐵人三項(xiàng)運(yùn)動(dòng)員則主要使用上肢進(jìn)行推進(jìn)[10]。因此水下NIRS測量可以更深入地了解游泳技術(shù)在不同的游泳運(yùn)動(dòng)員之間的差異，也可以更好地為其他水下運(yùn)動(dòng)服務(wù)。

4 結(jié)語

NIRS是一種無創(chuàng)、連續(xù)、實(shí)時(shí)測量肌肉氧代謝狀態(tài)的技術(shù)，為研究限制運(yùn)動(dòng)能力的病理生理機(jī)制以及運(yùn)動(dòng)干預(yù)對機(jī)體影響機(jī)制提供了方法。NIRS肌氧測量可以用于肌肉耐力的評價(jià)、疲勞的評估、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的監(jiān)控等方面，以及在許多疾病、與年齡相關(guān)的運(yùn)動(dòng)能力下降中也是有價(jià)值的。隨著人口老齡化的嚴(yán)峻形式，NIRS在老年醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用值得更深入的研究。此外，穿戴式NIRS和水下NIRS測量也為運(yùn)動(dòng)康復(fù)治療提供了新的評價(jià)方法。

參考文獻(xiàn)

[1] Adami A，Cao R，Porszasz J，et al. Reproducibility of NIRS assessment of muscle oxidative capacity in smokers with and without COPD[J].Respir atory Physiology& Neurobiology，2016（235）：18-26.

[2] Ryan TE，Southern WM，Brizendine JT，et al. Activity-induced changes in skeletal muscle metabolism measured with optical spectroscopy[J].Medicine & Science in Sports & Exercise，2013，45（12）：2346-2352.

[3] Ryan TE， Brophy P， Lin CT，et al. Assessment of in vivo skeletal muscle mitochondrial respiratory capacity in humans by near-infrared spectroscopy：a comparison with in situ measurements[J].Journal of Physiolo-gy，2014，592（15）：3231-3241.

[4] 張騰，徐國棟，王超英.近紅外光譜技術(shù)在賽前蹼泳訓(xùn)練中的應(yīng)用與評價(jià)[J].新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，28（3）：272-275.

[5] 秦阿妮.高住高練低訓(xùn)對骨骼肌氧利用能力的影響[D].北京體育大學(xué)，2007.

[6] 王培勇，龍非筱，傅蘭英.用近紅外無損肌氧及運(yùn)動(dòng)心率檢測技術(shù)評定100m極量強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)對心臟沖擊影響[J].光譜學(xué)與光譜分析，2010，30（2）：340-344.

[7] Chung S， Rosenberry R， Ryan TE，et al.Near-infrared spectroscopy detects age-related differences in skeletal muscle oxidative function： promising implications for geroscience[J]. Physiological Reports，2018，6（3）：13588.

[8] Palanca AA， Yang A， Bishop JA.The Effects of Limb Elevation on Muscle Oxygen Saturation： A Near-Infrared Spectroscopy Study in Humans[J].PM R.2016，8（3）：221-224.

[9] Farzam P， Starkweather Z， Franceschini MA.Validation of a novel wearable， wireless technology to estimate oxygen levels and lactate threshold power in the exercising muscle[J].Physiological Reports，2018，6（7）：13664.

[10] Jones B， Cooper CE.Underwater Near-Infrared Spectroscopy： Muscle Oxygen Changes in the Upper and Lower Extremities in Club Level Swimmers and Triathletes[J]. Adv Exp Med Biol，2016（876）：35-40.