引言

近紅外光譜術\\(near infrared spectroscopy,NIRS\\)是高新的分析技術,近十幾年來發展很快。目前,大約有50多個國家和地區開展了紅外光譜的研究和應用工作,一些發達國家表現得尤為突出,BritonChance 1992年首次應用到運動中。近紅外血氧儀可以檢測到肌肉與大腦等組織中血流量與微細血管中氧飽和度的變化,國內外學者對運動人體組織氧含量的變化開展廣泛研究,揭示運動人體組織的氧化代謝規律。近年來,國內外的研究表明,近紅外光譜術已成為運動領域的研究熱點,具有廣泛的發展空間和應用潛力。

1 NIRS無損檢測組織血氧參量測量原理

NIRS組織血氧參數無損監測儀器測得的參數包括總血紅蛋白\\(tHb\\)、氧合血紅蛋白\\(HbO2\\)和還原血紅蛋白\\(Hb\\)的濃度相對其初始值的變化量\\(以mml·L-1為單位\\),當組織的氧合代謝發生變化時,光強度的變化反映組織氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白的變化。近紅外光波長700~900nm,對人體組織有良好的穿透性。此波段組織中Hb和HbO2是二個主要的吸收體,具有不同吸收率的特點。利用朗伯-比爾定律解算出肌肉組織中氧含量的相對水平,用\\(OD\\)表示雙波長下吸收光密度的變化量。

2 遞增負荷下肌肉有氧代謝能力的評定

2.1 測量儀器

利用由清華大學研發、合肥安恒光電有限公司制造的ISAH-100型近紅外組織血氧參數無損監測儀檢測肌氧含量,用H2L4550491便攜式血乳酸測試儀檢測血乳酸;采用MONARK功率自行車進行遞增負荷運動。

2.2 方法

合肥市業余體校8名男子中長跑運動員在功率自行車上做4級遞增負荷運動,4級負荷等級為50,100,150,200W,每級負荷時間為3分鐘,總共12min。將探頭縱向綁在大腿股四頭肌上檢測肌氧并同步檢測心率,在每級負荷運動后進行血乳酸測定\\(即刻取手指末端血\\)。

2.3 實驗結果

從表1可以看出,進行遞增負荷運動時隨強度遞增,受試者心率增加,血乳酸濃度亦成升高的變化;同時,骨骼肌組織中,隨著負荷的增加血流量增大,肌氧含量則呈下降性的變化。遞增負荷運動時肌氧含量下降與血容量、血乳酸、心率上升相似。統計學分析表明,肌氧與乳酸、心率、血容量均呈高度負相關,肌氧與乳酸直線相關系數r=-0.986\\(p<0.01\\),與血容量直線相關系數r=-0.893\\(p<0.01\\),與心率直線相關系數r=-0.994\\(p<0.01\\).

2.4 分析討論測試

結果表明,\\(1\\)施加運動負荷后,全身的血液循環加快\\(心率上升\\),心輸出量增加,加大運動負荷的運動肌需要大量的血供給,造成了血容量的上升。\\(2\\)隨著負荷的增加,肌氧呈臺階狀逐漸下降,負荷越大,骨骼肌需要更多的氧來供應運動,氧得不到及時補充就會產生缺氧現象,使肌氧加速下降。\\(3\\)運動時乳酸生成的主要部位是骨骼肌,在低水平負荷運動時骨骼肌動用的紅肌纖維,隨運動負荷增加,逐漸耗盡了紅肌纖維中的氧,骨骼肌只有動用白肌纖維,血乳酸的生成量積累加劇。\\(4\\)在低負荷強度運動中血容量的上升滯后于肌氧含量的下降,隨著負荷的增加機體迅速動員,血容量上升速度加快,肌氧和血容量都呈臺階式的上升和下降,兩者有明顯的線性相關。\\(5\\)在低負荷強度運動中肌氧的下降和血乳酸的上升都比較緩慢,隨著時間和負荷的增加,動用白肌纖維增多,血乳酸顯著上升。肌肉組織消耗了大量的氧,還需要氧化乳酸,造成了肌氧的顯著下降,但到了一定負荷后,肌氧下降趨緩。受試者的乳酸濃度拐點和肌氧拐點都是在第二與第三級負荷之間出現的,血乳酸拐點稱為“乳酸閾”\\(Lactate Acid Threshold\\),這一點的運動強度即乳酸閾強度,是機體內的代謝方式由有氧代謝為主過渡到無氧代謝為主的轉折點或臨界點。肌氧下降的拐點和血乳酸上升的拐點高度相關,Ding和Bhambhani等均有類似的發現?！颈?】

2.5 NIRS技術在人體科學研究中的優勢

我們在一個月內對一名男子中長跑運動員進行四次遞增負荷運動的測試,測量其肌氧、血乳酸,測試方法同上。

從表2可以看出,經過多次測定肌氧和血乳酸呈規律性的下降和上升,每次之間數值的橫向比對,沒有明顯變化?！颈?】

由此表明,可以根據運動時骨骼肌中肌氧含量的變化來判斷受試者所能承受的運動強度和在對應強度下所對應的血乳酸濃度;肌氧下降的拐點所對應的血乳酸上升的拐點。

血乳酸作為一個重要指標應用于運動訓練強度、運動訓練水平的檢測,也是制定訓練計劃的參考指標。是運動人體科學研究中歷史最長,應用最為廣泛的重要生理指標之一。

經過眾多學者的廣泛研究證實了乳酸的生成與氧的供給和利用之間有著密切的關系。但是血乳酸的測量方法繁瑣、檢測時間延遲,運動時的環境受衛生、消毒條件的限制,大量的耗材加大了測試的成本,測試時要對受試者進行反復采血,大多數受試者不可能隨時滿足測試的要求,這限制了它在運動領域中的應用。

NIRS技術可以精確,反復測量和評估靜止時和運動中肌肉血容量和氧含量的變化,適合在運動過程中進行長時間連續監測和多次重復性測量,且攜帶方便,操作簡單、分析重現性好,最重要的是能夠在非侵入條件下,連續、實時地測定人體骨骼肌組織肌氧含量的變化,避免了受試者測試時采血的疼痛,這與傳統的檢測手段相比較具有不可替代的優勢。

2.6 小結

沈友清等眾多研究表明,肌氧含量變化與血乳酸、心率值均高度相關。肌氧反映運動時局部骨骼肌氧含量的變化,是一個局部的觀察指標,直觀形象地揭示了運動時肌氧輸送與消耗利用的關系,說明了用NIRS技術所測的肌氧含量評定遞增負荷時有氧代謝能力是可行的。肌氧可以同心率一樣成為監測肌肉組織代謝狀態的一項無損、敏感的新的評價指標,以檢測評定運動員的生理機能和運動訓練效果。

3 NIRS組織血氧儀在運動領域的研究、應用現狀及趨向

3.1研究現狀

研究者主要以血氧參數與傳統的指標如血乳酸、攝氧量、心率 、肌電等的關系來說明NIRS在體育運動中應用的可行性。部分學者研究了肌氧飽和度對運動功能的評估;觀察運動員低氧下遞增負荷運動時肌氧飽和度的變化以及腦氧飽和度變化特征;還有學者進行了運動和運動想象時大腦皮質血氧反應監測的研究。

3.2 應用現狀

通過查閱、問訊、走訪國內進行體育研究的科研所、高等院校。目前只有北京體育大學等不足十所高校和體育科研所擁有近紅外組織血氧參數無損監測儀。我國有144所本科體育院校\\(不包括專升本的院校\\)。普通高等院校的體育教學部有很多都在從事體育科學研究;全國有34個省市、自治區、特別行政區都有體育科學研究所或從事體育研究的專門機構,以此計算,NIRS組織血氧參數無損監測儀的擁有率還不足4%。

3.3 存在問題

根據調查結果顯示我國自主生產的NIRS組織血氧參數無損監測儀運用于運動人體研究的科研人員很少。主要是研究者對NIRS技術的優越性缺乏了解,評定方法的系統化和標準化程度較低,影響許多科研成果的應用;運動人體存在其自身的復雜性,機體處于不同的狀態下和環境中,測試數據受到噪聲或干擾,影響測量準確度和穩定性;在我國研究因缺乏系統的理論指導尚停留在描述層面,具體運用目前還沒有形成獨立的體系,不能作為全面評價運動人體機能的依據。需進一步在理論基礎上研究其實際意義,軟件與硬件的不足亟待改進,以解決運動訓練科學化監測和應用要求。

3.4 研究趨向

目前NIRS技術在運動領域中應用于基礎方面的研究居多,如果可以同時測量同一塊肌肉的不同部位或不同肌群對比的肌氧變化,對于今后監控運動訓練有極大的意義,需要NIRS技術含量更高的設備出現。

NIRS也可用于對心血管疾病患者的康復評定,Belardinelli在心血管患者與正常個體運動后的肌氧及攝氧量恢復的研究中發現,二者有明顯的差異。此外,運動與想象運動時腦部的活動是目前研究的熱點,Ide是率先研究了亞極量自行車運動時腦部的氧與代謝的,Nielsen證明了提高運動能力必須提高吸入氣體中氧的比例,不是影響運動肌而是與維持腦氧有關。肌肉疲勞與肌氧的關系以及機體疲勞與腦氧的關系也值得深入探討,運動后肌氧恢復、想象運動時的腦氧變化還有待于進一步研究,而這些研究都可以借助無創的NIRS技術進行。

4 結論

近年國內外學者廣泛研究了運動人體組織氧含量的變化,揭示了人體組織運動的氧化代謝規律 。氧是人體最重要的生命物質之一,缺氧會使組織受到不可逆的損害,直至危及生命腦組織\\(大腦皮層\\),只有人體組織供氧充分,并維持正常的氧合水平,才能實現正常的生命活動。

在我國,由清華大學、華中科技大學分別研發的NIRS血氧監測儀以無損、實時、連續、直接檢測的優勢應用于運動人體科學研究中。在骨骼肌氧代謝功能評定方面已獲取特征參數,為運動人體機能評定、醫務監督、運動損傷的防治提供了科學的評定、診斷、治療的方法和手段。本文詣在人們通過對NIRS血氧參數無損檢測儀技術的不斷了解,認識到NIRS技術與傳統有創、離體、繁瑣的技術相比,具有不可替代的特色和優勢,必將成為體育科學研究中運動人體應用的趨向。