高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)前后的人體下肢電阻抗特性變化分析

空軍軍醫(yī)大學(xué) a.軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系；b.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，陜西 西安 710032

引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與科技的快速發(fā)展，人們的生活質(zhì)量不斷提高，人們也越來(lái)越注重身體鍛煉。但大部分人運(yùn)動(dòng)后沒(méi)有合適、科學(xué)的方法對(duì)自己的運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行評(píng)估，對(duì)自己的疲勞程度沒(méi)有定量的概念。因此，由于過(guò)度疲勞導(dǎo)致的疲勞性損傷時(shí)有發(fā)生。另外，專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估是運(yùn)動(dòng)員取得優(yōu)異成績(jī)的重要保障，也是運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練選拔的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前，臨床上對(duì)于疲勞狀態(tài)評(píng)估的主要方法是血乳酸檢測(cè)，但該方法有創(chuàng)，操作要求嚴(yán)苛，而且使用環(huán)境受限[1]。因此，一種對(duì)人體組織功能狀態(tài)敏感、設(shè)備便攜、能夠快速準(zhǔn)確檢測(cè)的技術(shù)對(duì)于運(yùn)動(dòng)功能及疲勞程度的評(píng)估有著重大意義。

生物電阻抗技術(shù)是利用生物組織的電阻抗特性及其變化規(guī)律與人體生理病理狀況密切相關(guān)的生物物理基礎(chǔ)，通過(guò)體表電激勵(lì)與測(cè)量，獲取醫(yī)學(xué)信息的檢測(cè)技術(shù)。其測(cè)量方式一般是利用體表電極向檢測(cè)對(duì)象施加對(duì)人體安全的弱交流電信號(hào)，并檢測(cè)相應(yīng)的響應(yīng)電壓信號(hào)，獲取相關(guān)的電阻抗信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傷病或生理病理狀態(tài)的判斷[2]。由于該技術(shù)具有功能檢測(cè)、無(wú)創(chuàng)無(wú)害、操作簡(jiǎn)單、設(shè)備便攜等突出特點(diǎn)，有望成為運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估及疲勞程度評(píng)估的適宜技術(shù)之一[3-5]。

1 測(cè)量系統(tǒng)與原理

本實(shí)驗(yàn)采用的阻抗快速檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以完成對(duì)下肢電阻抗的獲取、采集、存儲(chǔ)分析等功能[6]。系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要包括電流源、檢測(cè)電路、電極系統(tǒng)等[7]。本系統(tǒng)采用4電極測(cè)量方式，測(cè)量過(guò)程中由電流源向待測(cè)目標(biāo)注入恒定安全電流，并利用檢測(cè)電路檢測(cè)待測(cè)目標(biāo)上邊界電壓的變化。

圖1 阻抗快速檢測(cè)系統(tǒng)整體框圖

為了更好地分析組織的阻抗特性，一般利用Cole電路模型研究組織阻抗特性（圖2）。由于人體組織的復(fù)阻抗特性，通過(guò)對(duì)人體組織表面施加不同頻率的電流激勵(lì)，并在體表檢測(cè)不同頻率下生物體的邊界電壓，可以計(jì)算出生物體在不同頻率下的阻抗信息，即頻譜特性。由于不同的組織功能狀態(tài)呈現(xiàn)出的頻譜特性不同，所以利用人體組織電阻抗的頻譜特性可以分析組織功能狀態(tài)[8-10]。

圖2 生物電阻抗等效電路電路模型

血液是生物體中電阻率最低的組織之一，當(dāng)血液在血管中的流動(dòng)時(shí)，血液會(huì)與周邊組織并聯(lián)從而影響周邊組織的整體電阻抗變化，使得組織的電阻抗在基礎(chǔ)阻抗的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)隨脈博而周期變化的阻抗信號(hào)，阻抗血流圖正是利用該特性來(lái)檢測(cè)人體組織血流灌注狀況[11-13]。

人體在劇烈運(yùn)動(dòng)前后的下肢血流狀態(tài)和細(xì)胞的生理狀態(tài)是不一樣的。由于不同的血流狀態(tài)呈現(xiàn)出的灌注特性不同，組織細(xì)胞不同的生理狀態(tài)呈現(xiàn)的頻譜特性不同，所以可以利用下肢的阻抗特性提供人體下肢血管中供血狀態(tài)和細(xì)胞生理狀態(tài)的信息。

2 測(cè)量方法

2.1 被試者

10位健康成年人，男性，20～23歲（平均年齡為22歲），排除下肢、心臟和腎臟疾病。體重從56 kg到72 kg均勻分布，平均體重66 kg；身高從175 cm到184 cm均勻分布，平均身高179 cm。本研究被試者選擇標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)[14]。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

用醫(yī)用酒精擦洗被試者被測(cè)部位皮膚，目的是去除皮膚表面皮脂，減小皮膚接觸電容。再用生理鹽水擦洗皮膚后，按部位貼放電極（Ag/AgCl電極，北京天潤(rùn)陽(yáng)光YH-1型）[15-17]。如圖3所示為電極貼放位置，激勵(lì)電極貼在人體踝關(guān)節(jié)上方5 cm小腿內(nèi)側(cè)處，測(cè)量電極正端貼在人體踝關(guān)節(jié)上方10 cm小腿內(nèi)側(cè)處，胸部測(cè)量公共端電極在劍突正下方3 cm處。在頻譜測(cè)量模式下，頻率范圍為1 kHz～1 MHz，可以在 1、2、5、10、20、50、100、200、500 kHz和1 MHz共10個(gè)頻點(diǎn)間自由切換，激勵(lì)電流以人體安全標(biāo)準(zhǔn)上限為準(zhǔn)，最高不超過(guò)2 mA。在阻抗血流測(cè)量模式下，工作頻率設(shè)置為50 kHz，激勵(lì)電流為2 mA。

圖3 電極貼放示意圖

2.3 實(shí)驗(yàn)程序

所有被試在當(dāng)天下午5點(diǎn)進(jìn)餐，晚上7點(diǎn)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。在被試者運(yùn)動(dòng)前，先把電極固定在被試者身上，仰臥3 min，其目的是為了把實(shí)驗(yàn)前由于其他姿勢(shì)引起體液快速流動(dòng)對(duì)腿部活動(dòng)的影響減至最小，另外也是為了使被試者適應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。然后開(kāi)始進(jìn)行運(yùn)動(dòng)前的測(cè)量，被試者采取仰臥位姿勢(shì)，將電阻抗測(cè)量設(shè)備的導(dǎo)聯(lián)線連接到電極后開(kāi)始測(cè)量，在測(cè)量期間禁止任何體動(dòng)。待阻抗數(shù)據(jù)采集完畢，取下導(dǎo)聯(lián)線。然后被試者進(jìn)行一次5 km的跑步訓(xùn)練，此次訓(xùn)練在23 min內(nèi)完成，每公里配速4.5 min，訓(xùn)練過(guò)程中被試者均未補(bǔ)充水分及其他營(yíng)養(yǎng)。在訓(xùn)練結(jié)束5 min后，被試者采用仰臥位，在原來(lái)的測(cè)試部位上貼放電極，將電阻抗測(cè)量設(shè)備的導(dǎo)聯(lián)線連接到電極后開(kāi)始測(cè)量，在測(cè)量期間禁止任何體動(dòng)。待運(yùn)動(dòng)后阻抗數(shù)據(jù)采集完畢，一組實(shí)驗(yàn)完成。

3 結(jié)果與分析

圖4所示是被試者雙側(cè)下肢阻抗的頻率特征。從圖4中可以看出，幅度值在測(cè)量頻率帶（1 kHz～1MHz）內(nèi)，運(yùn)動(dòng)前后均隨著激勵(lì)頻率的增加，阻抗值下降，且低頻段阻抗值較為穩(wěn)定，在高頻段阻抗值逐漸下降。運(yùn)動(dòng)后相對(duì)于運(yùn)動(dòng)前雙側(cè)下肢阻抗值在低頻段變化不大，高頻段雙側(cè)下肢運(yùn)動(dòng)后阻抗值下降幅度比運(yùn)動(dòng)前大。

圖4 人體下肢運(yùn)動(dòng)前后頻譜對(duì)照?qǐng)D

在100 kHz之后，運(yùn)動(dòng)后阻抗值比運(yùn)動(dòng)前下降幅度如表1所示。從表1可以看到，隨著頻率的增加，下降幅度越來(lái)越大；而且在200 kHz之后，下降幅度均在10%以上。將數(shù)據(jù)用SPSS進(jìn)行單因素方差分析，我們發(fā)現(xiàn)100 kHz和200 kHz組間差異性不顯著，其余各組之間差異明顯，且頻率越大，下降幅度越大。這一現(xiàn)象的原因是人體在運(yùn)動(dòng)后，運(yùn)動(dòng)代謝產(chǎn)物主要集中于細(xì)胞內(nèi)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)電阻率變化明顯。而由于細(xì)胞膜對(duì)低頻電流的阻礙作用，電流從細(xì)胞間質(zhì)流過(guò)，所以頻譜上低頻段阻抗變化不大；高頻電流可以較好通過(guò)細(xì)胞膜，所以在高頻段運(yùn)動(dòng)前后阻抗有顯著變化，且頻率越高，電流可以越好地通過(guò)細(xì)胞膜，從而阻抗變化越顯著。

表1 人體雙側(cè)下肢運(yùn)動(dòng)后高頻段阻抗下降幅度表（%）

圖5所示為人體下肢運(yùn)動(dòng)前后的阻抗血流對(duì)照?qǐng)D。從圖5中可以看出，運(yùn)動(dòng)前人體雙側(cè)下肢阻抗血流幅值有著一定的差異，但差異值在較小的范圍內(nèi)。而運(yùn)動(dòng)后的雙側(cè)肢體阻抗血流幅值相對(duì)于運(yùn)動(dòng)前均有提高。這可能是因?yàn)槿梭w在高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)后，下肢供血量增大導(dǎo)致的。

表2所示是人體下肢運(yùn)動(dòng)前后阻抗血流幅值變化表。從表2中可以看出，10名被試者中，9名被試者雙側(cè)下肢運(yùn)動(dòng)后阻抗血流幅值相對(duì)于運(yùn)動(dòng)前均有增加。將數(shù)據(jù)用SPSS進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)左腿運(yùn)動(dòng)前后阻抗值有顯著性差異（P=0.001）；右腿運(yùn)動(dòng)前后也具有顯著性差異（P＜0.001）。

圖5 人體下肢運(yùn)動(dòng)前后阻抗血流對(duì)照?qǐng)D

表2 人體下肢運(yùn)動(dòng)前后阻抗值表

綜上所述，高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)前后人體下肢的灌注特性及頻譜特性均有相對(duì)敏感的變化特征。因而，電阻抗參數(shù)可作為一項(xiàng)定量區(qū)分組織處于不同生理狀態(tài)下的重要指標(biāo)。

4 討論

人體組織由細(xì)胞組成，細(xì)胞分為細(xì)胞內(nèi)液電阻、胞外電阻和膜上電容，組織是各個(gè)細(xì)胞的集合。當(dāng)人體身體狀態(tài)、生理?xiàng)l件改變時(shí)，組織中不同成分的阻抗特性會(huì)發(fā)生較大改變[18]。在高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，下肢由于耗氧增加，下肢供血加快，這樣會(huì)引起下肢組織細(xì)胞的代謝增快，被試者也可明顯地感覺(jué)到高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)后下肢較為疲憊。人體在運(yùn)動(dòng)后，運(yùn)動(dòng)代謝產(chǎn)物主要集中于細(xì)胞內(nèi)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)電阻率變化明顯。而由于細(xì)胞膜對(duì)低頻電流的阻礙作用，所以頻譜上低頻段阻抗變化不大；高頻電流可以較好通過(guò)細(xì)胞膜，所以在高頻段運(yùn)動(dòng)前后阻抗有顯著變化。血液是生物體中電阻率最低的組織之一，高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)引起人體下肢供血加快，血液與周邊組織并聯(lián)的阻抗值發(fā)生變化，從而影響人體下肢阻抗血流。本研究對(duì)人體高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)前后的電阻抗特性進(jìn)行比較，無(wú)論灌注特性還是頻譜特性均有顯著性差異。采用電阻抗測(cè)量技術(shù)可以對(duì)這一變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有望應(yīng)用于評(píng)估人體下肢組織的疲勞狀態(tài)及生理變化，這無(wú)疑有著非常重要的意義。本研究?jī)H探明了電阻抗測(cè)量技術(shù)在評(píng)估人體下肢疲勞狀態(tài)的可行性，下一步我們將著力探尋人體下肢阻抗特性變化與疲勞程度之間的具體關(guān)系。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電阻抗測(cè)量技術(shù)對(duì)于人體下肢的細(xì)胞狀態(tài)和供血情況敏感且準(zhǔn)確，電阻抗測(cè)量技術(shù)無(wú)創(chuàng)、操作簡(jiǎn)單，而且可以做到長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估及人體疲勞狀態(tài)檢測(cè)中，有著巨大的應(yīng)用前景。