對(duì)遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)中肌氧拐點(diǎn)與無氧閾間關(guān)系的研究

余健凡

(蘇州大學(xué) 體育學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

1 前言

在生物醫(yī)學(xué)的光子學(xué)領(lǐng)域中近紅外光譜測(cè)定技術(shù)是一個(gè)非常重要的內(nèi)容,這個(gè)技術(shù)可以不間斷、及時(shí)、靈敏并且沒有損傷地檢測(cè)出肌肉中的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白含量的變化(周超彥2005 )。此種技術(shù)使機(jī)體肌肉內(nèi)氧的攝取與利用過程可以通過沒有外傷的方法進(jìn)行測(cè)定,用一種全新的方法監(jiān)控著機(jī)體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下骨骼肌的氧供狀態(tài)。

在競(jìng)技體育發(fā)展迅速的大背景下，體育運(yùn)動(dòng)中常用的各種理化指標(biāo)(如乳酸閾、最大攝氧量等)越來越多地在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和科學(xué)監(jiān)督的檢測(cè)與應(yīng)用中被重視起來，但許多檢測(cè)的指標(biāo)仍存在缺陷，如有侵襲、實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴、操作過程復(fù)雜等。除此之外，部分指標(biāo)的采集和檢測(cè)會(huì)存在延遲現(xiàn)象。這樣一來就可以用一種新的方法在無創(chuàng)傷的條件下對(duì)運(yùn)動(dòng)中肌肉組織氧含量變化進(jìn)行檢測(cè)(王國(guó)祥 等，2003)。在了解運(yùn)動(dòng)過程中人體的機(jī)能情況,科學(xué)地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練或?qū)τ?xùn)練效果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)體肌肉內(nèi)氧供給與氧消耗的狀況有著重要的借鑒價(jià)值?，F(xiàn)今，對(duì)于運(yùn)動(dòng)中肌肉組織氧含量與運(yùn)動(dòng)水平之間關(guān)系的研究非常熱門。本實(shí)驗(yàn)的研究目的在于觀察肌氧變化與運(yùn)動(dòng)負(fù)荷及系統(tǒng)參數(shù)攝氧量的關(guān)系，從而找到一個(gè)新的評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)水平的指標(biāo)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

研究對(duì)象納入標(biāo)準(zhǔn)如下：1)19～22歲成年女性，BMI指數(shù)在18.5～23.0之間；2)身體健康，下肢骨、關(guān)節(jié)和肌肉等無重大傷病史；3)大腿圍度在45～55cm之間，且曾接受過2～4年的系統(tǒng)性中長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，受試者基本情況見表1。實(shí)驗(yàn)前所有受試者均被告知此次研究的目的，了解實(shí)驗(yàn)流程和注意事項(xiàng)，并且已簽署知情同意書。

表1 受試者基本情況

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)采用Moxy近紅外無線肌氧監(jiān)測(cè)儀用于監(jiān)測(cè)受試者股四頭肌肌氧含量變化；MAX-Ⅱ運(yùn)動(dòng)心肺功能測(cè)試系統(tǒng)提供運(yùn)動(dòng)負(fù)荷并監(jiān)測(cè)潮氣量、攝氧量、心率等指標(biāo)。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：蘇州大學(xué)體育學(xué)院生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

實(shí)驗(yàn)方法：20名受試者在功率自行車上做遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)21分鐘。

實(shí)驗(yàn)步驟具體如下：在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)首先讓受試者在安靜狀態(tài)休息數(shù)分鐘，然后將近紅外光譜肌氧監(jiān)測(cè)儀固定在受試者股外側(cè)肌上，探頭縱放在受試者左側(cè)大腿膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)間隙上方10cm左右的地方，使光源和監(jiān)測(cè)器平行于大腿并用遮光膠帶將探頭固定，盡量減少外界的光線干擾。安裝好肌氧監(jiān)測(cè)儀后向受試者講解實(shí)驗(yàn)流程及具體要求和所要注意事項(xiàng)，在熟悉所要求的事項(xiàng)，測(cè)試人員發(fā)出測(cè)試口令后，受試者便開始以遞增負(fù)荷在跑臺(tái)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。跑臺(tái)上等級(jí)遞增負(fù)荷的Bruce方法是本實(shí)驗(yàn)所用的測(cè)試方法(見表2)。

表2 受試者7級(jí)運(yùn)動(dòng)排序

1.4 數(shù)理統(tǒng)計(jì)與分析

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)果

在受試者做等級(jí)遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)時(shí)，她們肌肉組織氧含量的變化隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)的遞增而遞增。20名中長(zhǎng)跑女運(yùn)動(dòng)員的肌肉組織氧含量的相對(duì)變化如表4所示，每級(jí)強(qiáng)度末各項(xiàng)參數(shù)的平均值如表3所示。從表中我們不難看出機(jī)體在進(jìn)行遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增加機(jī)體的氣體交換率也等級(jí)遞增。從氧氣攝入量(VO2)和二氧化碳呼出量(VCO2)數(shù)據(jù)的變化中我們可以看出，當(dāng)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷逐級(jí)增加時(shí)，氧氣攝入量和二氧化碳呼出量?jī)身?xiàng)參數(shù)值都明顯增加。當(dāng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度處于較低狀態(tài)時(shí)，也就是在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至11.6min左右之前，氧氣攝入量明顯高于二氧化碳呼出量；當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至11.6-12.6min之間時(shí)氧氣攝入量與二氧化碳呼出量基本相當(dāng)；而當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至12.6min之后氧氣攝入量明顯小于二氧化碳呼出量，這就形成了“無氧閾”的拐點(diǎn)。從表4和5中我們還可以看出，當(dāng)達(dá)到最大運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度時(shí)受試者的最大攝氧量(VO2max)為4115ml/min；二氧化碳呼出量(VCO2)為4239ml/min，此時(shí)的氣體交換率為1.16。

表3 20名受試者每級(jí)強(qiáng)度末各參數(shù)平均值(x±s)

表4 受試者肌氧含量指標(biāo)變化表

當(dāng)受試者在進(jìn)行等級(jí)遞增運(yùn)動(dòng)負(fù)荷時(shí)，肌肉組織氧含量的表現(xiàn)為：在等級(jí)增加時(shí),肌肉氧含量最初與靜息狀態(tài)時(shí)一致,一段時(shí)間后就緩慢降下來了,當(dāng)快要達(dá)到機(jī)體的乳酸閾時(shí),肌肉組織的氧含量下降的更加快速。當(dāng)達(dá)到機(jī)體最大攝氧量時(shí),肌肉組織氧含量下降變化幅度就降低了。當(dāng)機(jī)體停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，肌肉組織氧含量開始超量恢復(fù)。肌肉組織氧含量在機(jī)體達(dá)到無氧閾前和開始運(yùn)動(dòng)負(fù)荷等級(jí)遞增后下降明顯,在逐級(jí)遞增負(fù)荷開始階段時(shí)肌肉組織氧含量降低變化幅度大顯示剛開始增加負(fù)荷時(shí)肌肉組織的收縮強(qiáng)烈,正是由于這種強(qiáng)烈的收縮限制局部組織的血流，破壞了局部組織的氧供需平衡,這就造成運(yùn)動(dòng)中肌肉組織的氧耗使用加大局部動(dòng)靜脈氧差的方式完成(李紅燕 等，2005)。然而隨著對(duì)運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)，機(jī)體攝氧量增加,肌肉組織氧供需比會(huì)稍升高或保持平衡。當(dāng)機(jī)體達(dá)到無氧閾后,每當(dāng)負(fù)荷等級(jí)遞增時(shí)肌肉組織氧含量就持續(xù)下降，此處估計(jì)大概是因?yàn)楫?dāng)遞增負(fù)荷達(dá)到較大強(qiáng)度后,機(jī)體的肌肉為了完成運(yùn)動(dòng)而強(qiáng)烈收縮,極大地減少了運(yùn)動(dòng)中肌肉的血流量，進(jìn)一步限制肌肉組織的供氧量,但是此時(shí)機(jī)體的耗氧量仍未減小,所以當(dāng)機(jī)體達(dá)到無氧閾時(shí)肌肉組織的氧含量迅速下降即局部組織氧供需平衡被打破，耗氧量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過氧供應(yīng)量，進(jìn)而我們可認(rèn)為無氧閾的出現(xiàn)與局部組織氧供需平衡狀態(tài)被打破有關(guān)(李偉 等，2009)。當(dāng)機(jī)體運(yùn)動(dòng)至接近力竭狀態(tài)時(shí),有些運(yùn)動(dòng)員的肌肉組織氧含量會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相當(dāng)平臺(tái)期,這說明了機(jī)體的氧供需又達(dá)到了一個(gè)新的平衡狀態(tài)。當(dāng)機(jī)體停止運(yùn)動(dòng)之后,肌肉組織的氧含量大幅度增高，有的可以超過機(jī)體靜息狀態(tài)下的肌肉組織氧含量且血管血流量也大幅度增高。原因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)時(shí)為加快機(jī)體散熱，肌肉組織的毛細(xì)血管雖然擴(kuò)張但是因?yàn)檠鯕庀牧窟h(yuǎn)遠(yuǎn)大于氧氣供應(yīng)量所以肌肉組織氧含量降低，然而當(dāng)機(jī)體停止運(yùn)動(dòng)后,已經(jīng)擴(kuò)張的毛細(xì)血管未完全收縮,而且大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的酸性代謝產(chǎn)物也有擴(kuò)血管的作用都使肌肉組織毛細(xì)血管的血流量較大，并且由于肌肉組織停止收縮，耗氧量下降使得肌氧含量急劇升高(蔡前鑫，2016)。

從結(jié)果中我們可以看出: 局部肌肉組織的肌氧情況可以由近紅外光譜技術(shù)較為準(zhǔn)確的測(cè)得，當(dāng)機(jī)體在運(yùn)動(dòng)過程中時(shí)，肌肉組織氧含量變化趨勢(shì)與呼吸系統(tǒng)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)相一致，這說明在參加運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)體攝入的氧量主要供給肌肉本身運(yùn)動(dòng)所需(王愛華，2009)。綜上所述，通過監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)中局部肌肉的上述肌氧參數(shù)推測(cè)機(jī)體呼吸系指標(biāo)是可以操作的。

對(duì)20名女中長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員的肌肉氧含量相對(duì)變化值與最大攝氧量采用分析法進(jìn)行相關(guān)性分析，表現(xiàn)出了明顯的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別為0.828和0.827，且在P<0.01的水平上具有顯著意義。圖1為Deff與VO2max的線性關(guān)系圖。

圖1 Deff相對(duì)變化值與最大攝氧量間線性關(guān)系圖

2.1.1 肌肉組織氧含量變化在等級(jí)遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)中的表現(xiàn)

在進(jìn)行遞增運(yùn)動(dòng)負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，機(jī)體內(nèi)肌肉氧含量隨著運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的每級(jí)遞增而顯現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，這與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果相符。當(dāng)機(jī)體在運(yùn)動(dòng)過程中時(shí)，對(duì)氧氣的需求量會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的每級(jí)遞增而增加，肌肉組織的脫氧使得肌肉氧含量減少。肌肉組織消耗掉的氧氣是用來產(chǎn)生維持繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的能量并氧化運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的乳酸(沈友清 等，2006)。在遞增運(yùn)動(dòng)負(fù)荷時(shí)肌肉局部的氧氣消耗量會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，直至機(jī)體停止運(yùn)動(dòng)后的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)。肌肉氧含量的變化主要與機(jī)體氧氣消耗和氧氣供應(yīng)的差異有關(guān)。運(yùn)動(dòng)過程中肌肉氧含量的變化與肌肉內(nèi)氧代謝水有很高的相關(guān)性。

2.1.2 肌肉組織氧含量的相對(duì)變化值

靜息狀態(tài)下，肌肉組織中的氧氣消耗與供應(yīng)處在一種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)下，即一方面動(dòng)脈毛細(xì)血管向肌肉組織供氧，另一方面這個(gè)氧又會(huì)與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生能量，將血氧飽和度較低的血液運(yùn)輸?shù)届o脈。但是在進(jìn)行大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)體需要更多的能量來維持運(yùn)動(dòng)，肌肉組織中的氧氣消耗量急劇增加，致使局部的肌肉組織內(nèi)氧耗過多導(dǎo)致脫氧，整體肌肉組織的氧氣含量下降，此時(shí)的肌肉組織的氧含量與靜息狀態(tài)下相比形成了一個(gè)相對(duì)差值(Deff)。不同的運(yùn)動(dòng)員從平靜到運(yùn)動(dòng)停止后即刻，肌肉組織氧氣含量相對(duì)差值會(huì)有所不同。肌肉組織局部的脫氧情況取決于機(jī)體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度：當(dāng)機(jī)體運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度開始降低時(shí)，肌肉組織的氧含量變化幅度也降低；當(dāng)機(jī)體開始進(jìn)行每級(jí)遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)時(shí)，血乳酸增加，肌肉組織的氧含量變化幅度也加大，此時(shí)肌肉既需要大量消耗氧氣還需要氧化生成的血乳酸，這就使得肌肉氧含量明顯下降，下降越多，即Deff絕對(duì)值越大表明肌組織氧氣消耗量越大。從這里可以看出，機(jī)體在進(jìn)行高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的過程中，Deff的變化反映了肌肉組織動(dòng)員率和利用氧氣的情況,這可用來客觀評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)體肌肉的氧化代謝能力。在完成同樣的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷條件下,當(dāng)Deff值越大時(shí), 就反映了機(jī)體動(dòng)員和利用氧氣的能力越強(qiáng),機(jī)體有氧代謝能力越好, 這用來確保局部骨骼肌能處在較低水平下維持機(jī)體氧供應(yīng)和氧消耗的平衡。與此相反,當(dāng)Deff值越小時(shí) ,反映骨骼肌消耗的氧氣越少, 機(jī)體動(dòng)員和利用氧氣的能力越弱,機(jī)體有氧代謝能力越差。

表5 受試者最大攝氧量值

2.2 分析討論

2.2.1 肌氧含量相對(duì)差值與最大攝氧量的相關(guān)分析

人體肌肉組織氧含量的相對(duì)差異(Deff)與攝取氧氣的最大含量(VO2max)之間存在一定的相關(guān)性，而所有的這些都與人體的氣體代謝能力水平有關(guān)。最大攝取氧氣量(VO2max)反映了機(jī)體輸送氧氣的能力(包括心臟輸送能力、氧合血紅蛋白等)。吸收和使用肌肉中的氧氣的能力(包括線粒體數(shù)量、酶活動(dòng)水平等)是重要的標(biāo)準(zhǔn)。

這些標(biāo)準(zhǔn)是有效評(píng)估運(yùn)動(dòng)員有氧代謝能力的重要標(biāo)準(zhǔn)。Deff反映了運(yùn)動(dòng)期間局部肌肉組織的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和身體狀況，肌肉組織中的氧氣攝入量和消耗量與產(chǎn)生的能量成正比，肌肉組織中的氧氣攝入量有助于運(yùn)動(dòng)期間和運(yùn)動(dòng)期間的能量供給(鄭皎潔 等，2007)。當(dāng)負(fù)載相同時(shí)，肌肉氧氣含量下降得越快，這意味著局部肌肉對(duì)氧氣的需求和消耗量就越大。運(yùn)動(dòng)消耗殆盡時(shí)，肌肉組織的氧氣動(dòng)員和使用能力也達(dá)到了極限，Deff反映了肌肉組織氧氣消耗量的相對(duì)變化。人體肌肉組織中氧氣含量的相對(duì)差異(Deff)與觀察到的最大攝取氧氣含量(VO2max)之間存在著聯(lián)系，所有這些都與人體氧氣的新陳代謝能力水平有關(guān)。

2.2.2 氧合血紅蛋白指標(biāo)在遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)中意義的討論

人體組織中的微血管系統(tǒng)包括微導(dǎo)管、毛細(xì)血管，而肌肉氧含量則是骨骼肌微血管中血紅蛋白濃度乘以重量的相對(duì)變化平均值，反映了血紅蛋白與氧氣的結(jié)合和解離的動(dòng)態(tài)變化(張曉輝，2014)。肌肉和血液中的氧氣會(huì)在肌肉組織運(yùn)轉(zhuǎn)過程中消耗，隨著肌氧含量的供應(yīng)不足，肌組織的工作能力也會(huì)隨之下降，此時(shí)便會(huì)出現(xiàn)疲勞，運(yùn)動(dòng)代謝副產(chǎn)物也難以得到清除。在運(yùn)動(dòng)過程中肌肉組織氧密度會(huì)隨著機(jī)體溫度升高而升高，運(yùn)動(dòng)肌肉代謝能力的增強(qiáng)而升高，機(jī)體能量代謝的加快而升高等。肌氧飽和度的下降也就意味著機(jī)體疲勞的產(chǎn)生，運(yùn)動(dòng)能力的下降和體力的消耗。

本實(shí)驗(yàn)研究中在遞增工作強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)后期時(shí),氣體交換率大于1也證明了CO2對(duì)機(jī)體HbO2作用的影響(徐國(guó)棟 等，2004)。

3 結(jié)論

一旦機(jī)體開始參與到運(yùn)動(dòng)中去，通過實(shí)驗(yàn)我們可以知道肌肉組織中氧合血紅蛋白(HbO2)含量和血紅蛋白(Hb)含量的相對(duì)變化均比較明顯。隨著運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的等級(jí)性遞增和運(yùn)動(dòng)時(shí)間的逐漸加長(zhǎng),肌肉組織中氧合血紅蛋白(HbO2)含量的相對(duì)變化逐漸下降,這種表現(xiàn)在機(jī)體參與不同級(jí)負(fù)荷運(yùn)動(dòng)時(shí)變化得更為明顯。由此可知，利用近紅外肌氧監(jiān)測(cè)技術(shù)來檢測(cè)中長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員在跑臺(tái)上做遞增強(qiáng)度負(fù)荷運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉組織內(nèi)肌肉氧含量的相對(duì)變化是可行的，為無損傷監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)氧化代謝能力提供新的途徑，更好的滿足現(xiàn)今社會(huì)不斷發(fā)展下人們對(duì)于體育日益增長(zhǎng)的需求。