動力性遞增負荷運動中肌電與肌氧拐點及其聯(lián)合評價無氧閾的方法比較

嚴 瀚，畢學翠，鄭曉鴻，張英平，王 睿

無氧閾的研究一直是運動監(jiān)控領域的研究熱點之一，無氧閾的確定對于評價運動員有氧能力，制定適宜的有氧運動強度具有重要的意義。對于無氧閾的研究通常采用遞增負荷實驗，測試的指標主要包括氣體代謝指標[1]、血乳酸指標[2]、心率指標[3]等。由這些指標而產(chǎn)生的通氣閾、乳酸閾、心率閾來評價無氧閾。但是，在實踐過程中也發(fā)現(xiàn)通氣閾的測量需要佩戴面罩，影響受試者運動感覺，乳酸閾的采集有創(chuàng)，心率閾的穩(wěn)定性較差，可檢測率較低等缺點，研究者們一直試圖尋找可靠、便攜、無創(chuàng)的檢測手段來評價無氧閾，其中表面肌電和肌氧技術成為新的熱門監(jiān)控指標。表面肌電技術作為一種無創(chuàng)，便攜的可以量化肌肉活動的監(jiān)控手段，很早就被嘗試來成為評價無氧閾的新手段，肌電閾的概念由此產(chǎn)生，指用肌電設備收集運動過程中肌肉的放電信號，通過計算遞增負荷中固定時間段肌電的變化，描繪出肌電的各項指標與負荷強度的一一對應曲線，觀察當運動強度達到某一水平，該曲線會出現(xiàn)由平緩轉向陡峭的“拐點”，此“拐點”就被稱為肌電閾。主要反映肌肉由有氧代謝向無氧代謝轉化的轉折點[4]。肌電閾確定方法主要有2種[5]，一種是以傳統(tǒng)的以肌電圖平緩變?yōu)槎盖偷墓拯c為標準[6-7]。另一種是采用T.MATSUMOT[8]提出的強度—斜率曲線來求得。而肌氧技術主要通過近紅外光譜術（near infrared spectroscopy，NIRS）[9]實時監(jiān)測局部肌肉中的氧合血紅蛋白（HbO2）濃度來反映局部肌肉的氧含量變化[10]。近年來在肌氧技術上的研究[11]也發(fā)現(xiàn)了局部肌肉肌氧變化過程也存在拐點現(xiàn)象，被稱之為肌氧閾，并被證明可以用來反映局部肌肉的氧代謝能力[12]，可以作為評價無氧閾的新指標。

肌氧閾和肌電閾已經(jīng)被證實與乳酸閾、通氣閾及最大攝氧量有顯著相關性，而被提議用于無氧閾的確定以及有氧運動能力的預測。然而，也存在著很多爭議[13]。首先在肌電閾值的確定上，楊繼強[7]使用積分肌電（IEMG）來確定肌電閾，并發(fā)現(xiàn)與通氣閾和乳酸閾存在高度相關。而T.V.CAMATA[14]研究認為，均方根振幅值（RMS）相對于IEMG能較好確定肌電閾。陳建寧[6]研究比較通氣閾、乳酸閾和肌電閾，發(fā)現(xiàn)無氧閾出現(xiàn)時，IEMG閾的相關性最低。還有研究[15]發(fā)現(xiàn)肌電閾檢出率并不高，不同肌肉之間的肌電閾值與無氧閾的關系存在差異。其次，在肌氧閾的確定上，爭議主要出現(xiàn)在對于肌氧拐點的確定上，雖然多項研究都表明自己的方法確定的肌氧閾與無氧閾高度相關，但是由于受試者數(shù)量，受試者體脂，實驗范式，評價標準等不同也使得肌氧閾的確定還存在著爭議。所以說肌電肌氧這種無創(chuàng)便攜的手段是否可以成為可靠的評價無氧閾的方法依舊不明朗。在無氧閾的確定上，血乳酸閾是應用最廣也是最為長久經(jīng)典的指標，本文以血乳酸閾為主要標準，檢測主要的幾種肌電、肌氧以及其聯(lián)合評價無氧閾的手段（雙線性擬合肌電拐點法[7]、雙線性擬合肌氧拐點法[12]、肌氧15%差值法[16]、肌電與肌氧比值法[13]），試圖尋找肌電、肌氧以及其聯(lián)合評價無氧閾的可靠方法。

1 試驗對象與方法

1.1 試驗對象

本實驗選取23 名首都體育學院體育教育專業(yè)本科生作為試驗對象，體脂正常（體脂過高對受試者肌氧測量有影響[17]），無心、肺、肝、腎及內(nèi)分泌和代謝等疾病史，下肢1年內(nèi)未有重大傷病。受試者平均年齡（20.86±1.43）歲，平均身高（178.69±3.96）cm，平均體重（72.38±3.87）kg，平均體脂（18.2±3.72）%。試驗前確定優(yōu)勢腿，確定方法為：運動員要求全力踢球，踢球腿為優(yōu)勢腿[18-19]。本研究中，所有受試者優(yōu)勢腿皆為右腿。

1.2 試驗范式

采用功率自行車遞增負荷試驗范式，在英國產(chǎn)WATTBIKE功率自行車上做5 min 準備活動，期間幫助受試者調整座椅、把手到最合適位置。準備活動結束后休息3 min 開始試驗，以80、110、140、170、200、230 w 每級遞增30 w 做遞增負荷試驗直到力竭，每級騎行3 min。

1.3 表面肌電采集

肌電設備采用TRIGNO 肌電采集設備（DELSYS 公司生產(chǎn)制造，由1 個檢測器和16 個傳感器構成。儀器參數(shù)設定：采樣頻率為4 000 Hz EMG，148 Hz ACC/通道，加速度類型為內(nèi)置三軸加速度）。參照以往文獻以及肌電使用指南，根據(jù)自行車運動的主要發(fā)力肌肉位置，下肢肌電貼合部位分別是：左右股直肌，左右脛骨前肌，左右股二頭肌，左右腓腸肌外側頭。傳感器貼合前，對貼合部位進行去毛，酒精擦拭處理以降低電阻。肌電傳感器貼合于肌腹位置，平行于肌纖維走向，利用雙面膠布固定在皮膚，并用彈性繃帶以適合松緊度包扎以防掉落。

1.4 NIRS肌氧數(shù)據(jù)采集

利用NIRS 技術采集肌肉內(nèi)氧含量，主要的采集器材為Moxy 肌氧監(jiān)測儀（廠商由美國Fortiori Design LLC 公司制造，規(guī)格尺寸為61 mm x 44 mm x 21 mm，波長630 、750 、850 nm，約重42 g），采集部位為左右股外側肌[20]，傳感器貼合于肌腹位置，平行于肌纖維走向，利用雙面膠固定在皮膚，由于肌氧主要為光學采集，最后需要利用深色彈性繃帶以適合松緊度包扎以防掉落或者干擾數(shù)據(jù)。

1.5 血乳酸采集

血乳酸的采集使用德國產(chǎn)EKF臺式血乳酸分析儀，試驗前先在受試者耳垂處打預留孔，并用棉球包裹防止出血過多或者凝血，以保證試驗過程中可以在不影響受試者蹬車的情況下直接采血。在每級負荷結束即刻以及最后結束后3、5、7、10 min采集耳血，檢測血乳酸，用H.STEGMAN[4]的方法測定乳酸閾強度（見圖1）。

圖1 遞增負荷試驗流程圖Figure1 Incremental Exercise Test Experimental Flow

1.6 拐點確定

1.6.1 雙線性擬合肌電拐點 數(shù)據(jù)由肌電產(chǎn)商提供的專業(yè)軟件進行處理，首先用巴特赫茲帶通濾波器進行濾波（10～400 Hz），再對濾波后的結果進行絕對值處理，最后以30 s 為一單位，截取遞增負荷運動時間內(nèi)的IEMG 和RMS，分別將8塊肌肉的IEMG 和RMS 與遞增負荷強度建立曲線，利用計算機自動擬合功能[21]判斷肌電拐點，當2 段線性擬合結果中出現(xiàn)的殘余誤差平方和最小時，相應的分界點作為肌電拐點。

1.6.2 雙線性擬合肌氧拐點 Moxy 的數(shù)據(jù)分析設備已經(jīng)對肌氧進行歸一化處理，采集的主要數(shù)據(jù)為肌肉內(nèi)氧合血紅蛋白所占百分比。同樣以每30 s 對肌氧數(shù)據(jù)進行平均，作為該時間段的肌氧值。參照文獻[12]利用計算機對肌氧指標進行2 段線性擬合，當2段擬合結果中出現(xiàn)的殘余誤差平方和最小時，相應的分界點作為肌氧拐點。

1.6.3 肌氧下降15%拐點法 采集的主要數(shù)據(jù)以每30 s對肌氧數(shù)據(jù)進行平均，作為該時間段的肌氧值。以肌氧下降幅度超過上一等級數(shù)據(jù)15%定義為拐點[20]。

②指標組成不明確。表中的指標是綜合指標，不清楚具體包括哪些項目及對應指標，易造成理解分歧。如擋水工程、泄洪工程中的排水孔、土（石）壩中的面（趾）板止水等，在項目劃分表中是單獨列項的，而細部結構指標又綜合了 “排水工程”“止水工程”。從邏輯上理解，二者沒有重疊。再如，設計上常提供廠房照明設施清單，而細部結構指標中又包括了“照明工程”，不知道廠房是否除外。

1.6.4 肌氧/肌電比值法 通過Moxy 分析軟件數(shù)據(jù)先求得脫氧血紅蛋白的變化數(shù)值，在以每30 s 對數(shù)據(jù)進行平均，作為該時間段的脫氧血紅蛋白數(shù)值，將每個時間對應的脫氧血紅蛋白數(shù)值與肌電IEMG、RMS 數(shù)值相除，得到肌氧/肌電的比值，將數(shù)據(jù)以時間為橫坐標，以比值為縱坐標建立一個5 項式曲線擬合方程，比值隨時間增長后出現(xiàn)峰值并下降，這個峰值點定義為拐點[13]。

1.7 統(tǒng)計分析

肌電和肌氧采集均同步進行，為了保證時間統(tǒng)一以及防止延遲造成數(shù)據(jù)混亂，于受試者開始試驗前10 s 統(tǒng)一開啟肌電和肌氧設備以及秒表記錄數(shù)據(jù)，受試者開始運動時記錄運動開始時間和最后的結束時間。截取遞增負荷運動時間段的肌電和肌氧數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一以30 s 為一時間段記錄均值。除了特別強調以外，所有數(shù)據(jù)均用平均值±標準誤的形式呈現(xiàn)。相關性分析利用皮爾遜相關，單因素方差分析檢驗不同方法以及不同肌肉評價之間的差異性（P＜0.05），克朗巴赫指數(shù)與組內(nèi)相關系數(shù)（ICC）檢驗測得的無氧閾與乳酸閾之間的一致性（P＜0.01），所有統(tǒng)計分析均用SPSS 22.0軟件實現(xiàn)。

2 研究結果

2.1 肌電、肌氧、血乳酸變化趨勢

試驗過程中，所有受試者都完成了至少6 級遞增負荷，其中16 人完成6 級遞增負荷，4 人完成7 級遞增負荷。負荷總持續(xù)時間為（1 163.44±66.47）s。在遞增負荷試驗過程中，8 塊肌肉的IEMG 和RMS 都隨著負荷的增加而增加，左右股外側肌肌肉內(nèi)氧含量也隨著負荷增加而下降，血乳酸值隨著負荷的增加而增加。

2.2 雙線性擬合肌電拐點

在遞增負荷較低強度時，積分肌電與均方根值都有所變化。隨著負荷的增加而增加，在較大負荷強度時，積分肌電與肌電均方根值都出現(xiàn)顯著的非線性增加，表現(xiàn)在大負荷強度時積分肌電和均方根值的變化速率明顯高于低強度時的變化速率（見圖2）。測試肌肉之間的拐點位置存在強相關（R=0.687～0.908，P＜0.01），測試所有肌肉的拐點位置與乳酸閾存在強相關（R=0.685～0.908，P＜0.01）（見表1），測試肌肉之間的拐點位置都沒有統(tǒng)計學意義（P＞0.05），測試所有肌肉與乳酸閾都沒有統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。測試出的所有肌肉的積分IEMG 閾和RMS閾都要早于乳酸閾。從相關系數(shù)和一致性系數(shù)來看，股直肌和腓腸肌外側頭測得無氧閾與乳酸閾最為接近。RMS 值比IEMG 值與乳酸閾更接近，右側的數(shù)據(jù)比左側的數(shù)據(jù)與乳酸閾更為接近（見表2）。

圖2 受試者遞增負荷中右側股直肌肌電IEMG和RMS的拐點（典型被試）Figure2 Breakpoints of IEMG and RMS of the Right Rectus Femoris During Incremental Exercise Test（Typical Subjects）

表1 測試肌肉肌電IEMG與RMS拐點與乳酸閾的相關性以及一致性分析Table2 Correlation and Consistency Analysis Between IEMG and RMS Breakpoints and Lactate Threshold

2.3 雙線性擬合肌氧拐點

在遞增負荷強度較低時，肌氧下降幅度較為平緩（見圖3）。隨著負荷的增加而下降，在遞增到一定負荷強度時，肌氧含量出現(xiàn)顯著的非線性下降，表現(xiàn)在大負荷強度時肌氧的下降速率明顯高于低強度時的下降速率，左右股外側肌拐點位置之間存在強相關（R左=0.759，R右=0.809，P＜0.01），左右股外側肌的拐點位置與乳酸閾存在強相關（R左=0.762，R右=0.822，P＜0.01）（見表3）。測試肌肉之間的拐點位置差異不具有統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。左右股外側肌與乳酸閾都不具有統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。測試出的左右股外側肌拐點位置都要早于乳酸閾。從相關系數(shù)和一致性系數(shù)來看，右側的數(shù)據(jù)比左側的數(shù)據(jù)與乳酸閾更為接近（見表4）。

表2 測試肌肉肌電IEMG與RMS拐點對應的功率與時間Table1 The Power and Time Estimated by IEMG and RMS Breakpoints

圖3 受試者遞增負荷中右側股外側肌肌氧的拐點（典型被試）Figure3 Breakpoints of Muscle Oxygenation Index of the Right Vastus Lateralis during Incremental Exercise Test（Typical Subjects）

表3 左右股外側肌肌氧拐點與乳酸閾的相關性和一致性分析Table3 Correlation and Consistency Analysis between Muscle Oxygenation Breakpoints and Lactate Threshold

表4 左右股外側肌肌氧拐點對應功率與時間Table 4 The Power and Time Estimated by Muscle Oxygenation Breakpoints of Tested Muscles

2.4 肌電與肌氧比值

肌電/肌氧比值法檢驗無氧閾，總體檢出率61.1%（見圖4）。通過比值法測定的左右股外側肌肌氧和同側測定肌肉肌電IEMG 和RMS 的比值所換算的對應無氧閾強度與乳酸閾強度不相關（P＞0.1），檢測出的無氧閾強度均值大于乳酸閾（見表5）。

圖4 受試者遞增負荷中右側股外肌肌氧與右側股直肌IEMG比值的拐點（典型被試）Figure4 Breakpoints of Muscle Oxygenation in the Right Vastus Lateralis/IEMG in Right Rectus Femoris during Incremental Exercise Test（Typical Subjects）

表5 左右股外側肌肌氧與對應側的測試肌肉肌電拐點對應功率與時間Table 5 The Power and Time Estimated by Muscle Oxygenation/EMG or RMS Breakpoints of Tested Muscles

2.5 15%肌氧拐點

15%肌氧拐點法的總體檢出率43.47%，其中檢測出的右側股外側肌與對于人數(shù)的乳酸閾強度不相關（R=0.607，P＜0.05），檢測出的左側股外側肌與對應人數(shù)的乳酸閾強度強相關（R=0.7，P＜0.05），檢測出的右側股外側肌肌氧拐點均值大于乳酸閾強度，左側股外側肌肌氧拐點均值小于乳酸閾強度（見表6）。

表6 左右股外側肌肌氧拐點對應功率與時間Table 6 The Power and Time Estimated by Muscle Oxygenation Breakpoints of Tested Muscles

3 討論與分析

3.1 雙線性擬合肌電拐點

以功率為參數(shù)，以乳酸閾為標準來探討肌電閾與無氧閾的關系時發(fā)現(xiàn)，測試所有肌肉的肌電閾強度與乳酸閾強度呈顯著相關，分析結果認為，當運動過程中的負荷強度達到一定量時，糖酵解供能系統(tǒng)的加入使得肌乳酸迅速升高，肌乳酸進入血液需要2～8 min，之后使得肌乳酸和血乳酸達到平衡的狀態(tài)[23]，肌乳酸的升高明顯快于血乳酸。肌乳酸的迅速增加使得參與工作的運動單位能力下降，為了維持正常的運動強度，便需要募集更多的快肌纖維參與運動，而此時肌細胞的內(nèi)環(huán)境變化也進一步影響動作電位的傳導，最終導致肌電幅值的變化。這表明肌乳酸對肌電的影響要快于血液中的乳酸堆積效應，這與本文研究中肌電閾與乳酸閾并非同時發(fā)生，各項肌電指標在各個肌肉范圍內(nèi)的閾值強度都要先于乳酸閾強度出現(xiàn)的結果一致，說明肌電閾與乳酸閾之間存在著密切關系。也有可能是肌電閾判斷方法的問題，有待進一步研究。在肌肉的選擇上，股直肌和腓腸肌外側頭表現(xiàn)出更好的與乳酸閾相關性，有文獻[24]表明，自行車運動中騎行的主要發(fā)力部位在股四頭肌，在蹬踏過程中，腓腸肌和脛骨前肌主要負責傳遞力，而股二頭肌主要作用于蹬踏旋轉過程中腳蹬的回收過程[25]。股直肌所測的拐點要小于腓腸肌外側頭，可能與肌肉之間的構造有關，有證據(jù)表明股四頭肌處的慢肌纖維比例少于腓腸肌處的慢肌纖維比例[26]，另外，股四頭肌處的氧化酶活性低于腓腸肌處的氧化酶活性[27]。慢肌纖維的比例較少，以及較低的氧化酶活性，導致在遞增負荷運動中股四頭肌的快肌纖維將較早地被募集，從而促使肌電圖譜發(fā)生變化產(chǎn)生拐點。

3.2 雙線性擬合肌氧拐點

此方法是應用的較多的肌氧閾的確定方法，主要的生理機制是低強度運動時，局部肌肉中的氧解離速度增加，以滿足運動需求的增長。但是由于運動時心血管活動增強，攝氧量增加以及局部溫度升高，毛細血管開放程度增大，血流速度的加快為局部肌肉提供了足夠的氧氣，因此肌肉內(nèi)氧含量下降不顯著。但是當運動強度繼續(xù)增加達到一定強度時，為了滿足局部骨骼肌中的ATP 需求，肌肉氧耗急劇增加，更多的氧氣從氧合血紅蛋白中解離出來，PO2迅速下降從而導致了氧合血紅蛋白解離加速，形成了“S”氧離曲線的第二段特征，導致肌氧含量的持續(xù)下降。

在以功率為參數(shù)，以乳酸閾為標準來探討肌氧閾與無氧閾的關系時發(fā)現(xiàn)，測試的左右股外側肌肌氧閾強度與乳酸閾強度呈顯著相關，分析認為運動強度較大時，肌細胞內(nèi)外各種酸性代謝產(chǎn)物增多，乳酸開始積累，乳酸在促進氧離中扮演著重要的角色，大強度運動過程中，局部內(nèi)環(huán)境酸化，PCO2和H+濃度增高，促使O2與血紅蛋白快速解離（波爾效應）[28]，從而導致肌氧大幅度下降。而也如前文所述，肌乳酸的進入血液有延遲現(xiàn)象，而肌氧含量下降是瞬時的沒有延遲，也導致測得的肌氧閾強度要先于乳酸閾。而肌電與肌氧都表現(xiàn)出右側肢體拐點與乳酸閾更為接近的現(xiàn)象可能與實驗對象的優(yōu)勢腿都為右腿有關。

3.3 肌電與肌氧比值法

此方法是由S.Y.KUZNETSOV[13]提出的新的聯(lián)合肌電肌氧指標聯(lián)合評價無氧閾強度的方法，優(yōu)點是較雙線性擬合要簡單易行。生理學基礎是隨著負荷強度的上升，慢肌纖維已經(jīng)不能維持運動強度，需要快肌纖維的補充。相對于有氧氧化功能來說，糖酵解供能系統(tǒng)開始發(fā)揮更大作用，因此之后隨著負荷的增加肌肉氧耗不再劇烈增長，顯示為肌氧含量到達平臺期。同時肌電幅度會因為快肌纖維加入而產(chǎn)生急劇增加，此時建立的肌氧/肌電的比值含義是：在無氧閾之前的分子-脫氧血紅蛋白含量上升，分母-肌電幅值小幅度上升，整體趨勢是比值呈上升趨勢。當運動到一定強度時，分子-脫氧血紅蛋白含量上升出現(xiàn)平臺，而分母-肌電幅值大幅度上升，比值不再上升而產(chǎn)生下降，整體的趨勢線出現(xiàn)拐點并下降。

然而，此方法存在兩點不足，首先是檢出率較低，為61.1%；其次，檢測出的各塊肌肉的拐點強度與乳酸閾強度沒有相關性?？赡芘c很多受試者在未出現(xiàn)肌氧下降平臺的時候已經(jīng)力竭或者從始至終未出現(xiàn)肌氧平臺有關。

3.4 15%肌氧下降法

此方法由A.C.SNYDER[16]使用的對于肌氧下降拐點的判斷，優(yōu)點是判定較為便利，生理學基礎是肌氧到達一定負荷強度后會急劇下降的特點。然而在實驗中我們發(fā)現(xiàn)此方法檢出率低，僅為43.47%，且只有左腿肌氧拐點強度與乳酸閾強度相關。原因可能在于：首先，肌氧含量的變化容易波動出現(xiàn)部分極端值影響判斷。其次是個體差異的存在導致很多受試者超過15%肌氧下降點并未出現(xiàn)，而較為嚴格的15%閾值的確定也使得類似下降14%這種臨近值無法納入。

4 小 結

無氧閾的檢測是運動訓練領域的重點研究方向之一，眾多學者也在探尋可以便攜，無創(chuàng)，簡單的無氧閾檢測方法。結果表明，以乳酸閾為標準，利用計算機雙線性擬合技術建立的下肢各用力肌肉的肌電以及肌氧拐點與無氧閾存在著顯著相關，其中肌電數(shù)據(jù)中RMS 值、肌肉選擇中股直肌和腓腸肌表現(xiàn)出了更佳的相關性。而肌氧數(shù)據(jù)中，優(yōu)勢腿的股外側肌肌氧表現(xiàn)出更佳的相關性。肌氧/肌電比值法和15%肌氧下降法雖然操作便利，判定簡單，但是容易受到極端數(shù)據(jù)以及受試者個體差異性的影響，在無氧閾的判斷上還是存在著檢出率低以及不穩(wěn)定的缺點。