引言
近红外光谱术(near infrared spectroscopy,NIRS)是高新的分析技术,近十几年来发展很快。目前,大约有50多个国家和地区开展了红外光谱的研究和应用工作,一些发达国家表现得尤为突出,BritonChance 1992年首次应用到运动中。近红外血氧仪可以检测到肌肉与大脑等组织中血流量与微细血管中氧饱和度的变化,国内外学者对运动人体组织氧含量的变化开展广泛研究,揭示运动人体组织的氧化代谢规律。近年来,国内外的研究表明,近红外光谱术已成为运动领域的研究热点,具有广泛的发展空间和应用潜力。
1 NIRS无损检测组织血氧参量测量原理
NIRS组织血氧参数无损监测仪器测得的参数包括总血红蛋白(tHb)、氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)的浓度相对其初始值的变化量(以mml·L-1为单位),当组织的氧合代谢发生变化时,光强度的变化反映组织氧合血红蛋白、还原血红蛋白的变化。近红外光波长700~900nm,对人体组织有良好的穿透性。此波段组织中Hb和HbO2是二个主要的吸收体,具有不同吸收率的特点。利用朗伯-比尔定律解算出肌肉组织中氧含量的相对水平,用(OD)表示双波长下吸收光密度的变化量。
2 递增负荷下肌肉有氧代谢能力的评定
2.1 测量仪器
利用由清华大学研发、合肥安恒光电有限公司制造的ISAH-100型近红外组织血氧参数无损监测仪检测肌氧含量,用H2L4550491便携式血乳酸测试仪检测血乳酸;采用MONARK功率自行车进行递增负荷运动。
2.2 方法
合肥市业余体校8名男子中长跑运动员在功率自行车上做4级递增负荷运动,4级负荷等级为50,100,150,200W,每级负荷时间为3分钟,总共12min。将探头纵向绑在大腿股四头肌上检测肌氧并同步检测心率,在每级负荷运动后进行血乳酸测定(即刻取手指末端血)。
2.3 实验结果
从表1可以看出,进行递增负荷运动时随强度递增,受试者心率增加,血乳酸浓度亦成升高的变化;同时,骨骼肌组织中,随着负荷的增加血流量增大,肌氧含量则呈下降性的变化。递增负荷运动时肌氧含量下降与血容量、血乳酸、心率上升相似。统计学分析表明,肌氧与乳酸、心率、血容量均呈高度负相关,肌氧与乳酸直线相关系数r=-0.986(p<0.01),与血容量直线相关系数r=-0.893(p<0.01),与心率直线相关系数r=-0.994(p<0.01).
2.4 分析讨论测试
结果表明,(1)施加运动负荷后,全身的血液循环加快(心率上升),心输出量增加,加大运动负荷的运动肌需要大量的血供给,造成了血容量的上升。(2)随着负荷的增加,肌氧呈台阶状逐渐下降,负荷越大,骨骼肌需要更多的氧来供应运动,氧得不到及时补充就会产生缺氧现象,使肌氧加速下降。(3)运动时乳酸生成的主要部位是骨骼肌,在低水平负荷运动时骨骼肌动用的红肌纤维,随运动负荷增加,逐渐耗尽了红肌纤维中的氧,骨骼肌只有动用白肌纤维,血乳酸的生成量积累加剧。(4)在低负荷强度运动中血容量的上升滞后于肌氧含量的下降,随着负荷的增加机体迅速动员,血容量上升速度加快,肌氧和血容量都呈台阶式的上升和下降,两者有明显的线性相关。(5)在低负荷强度运动中肌氧的下降和血乳酸的上升都比较缓慢,随着时间和负荷的增加,动用白肌纤维增多,血乳酸显著上升。肌肉组织消耗了大量的氧,还需要氧化乳酸,造成了肌氧的显著下降,但到了一定负荷后,肌氧下降趋缓。受试者的乳酸浓度拐点和肌氧拐点都是在第二与第三级负荷之间出现的,血乳酸拐点称为“乳酸阈”(Lactate Acid Threshold),这一点的运动强度即乳酸阈强度,是机体内的代谢方式由有氧代谢为主过渡到无氧代谢为主的转折点或临界点。肌氧下降的拐点和血乳酸上升的拐点高度相关,Ding和Bhambhani等均有类似的发现。【表1】
2.5 NIRS技术在人体科学研究中的优势
我们在一个月内对一名男子中长跑运动员进行四次递增负荷运动的测试,测量其肌氧、血乳酸,测试方法同上。
从表2可以看出,经过多次测定肌氧和血乳酸呈规律性的下降和上升,每次之间数值的横向比对,没有明显变化。【表2】
由此表明,可以根据运动时骨骼肌中肌氧含量的变化来判断受试者所能承受的运动强度和在对应强度下所对应的血乳酸浓度;肌氧下降的拐点所对应的血乳酸上升的拐点。
血乳酸作为一个重要指标应用于运动训练强度、运动训练水平的检测,也是制定训练计划的参考指标。是运动人体科学研究中历史最长,应用最为广泛的重要生理指标之一。
经过众多学者的广泛研究证实了乳酸的生成与氧的供给和利用之间有着密切的关系。但是血乳酸的测量方法繁琐、检测时间延迟,运动时的环境受卫生、消毒条件的限制,大量的耗材加大了测试的成本,测试时要对受试者进行反复采血,大多数受试者不可能随时满足测试的要求,这限制了它在运动领域中的应用。
NIRS技术可以精确,反复测量和评估静止时和运动中肌肉血容量和氧含量的变化,适合在运动过程中进行长时间连续监测和多次重复性测量,且携带方便,操作简单、分析重现性好,最重要的是能够在非侵入条件下,连续、实时地测定人体骨骼肌组织肌氧含量的变化,避免了受试者测试时采血的疼痛,这与传统的检测手段相比较具有不可替代的优势。
2.6 小结
沈友清等众多研究表明,肌氧含量变化与血乳酸、心率值均高度相关。肌氧反映运动时局部骨骼肌氧含量的变化,是一个局部的观察指标,直观形象地揭示了运动时肌氧输送与消耗利用的关系,说明了用NIRS技术所测的肌氧含量评定递增负荷时有氧代谢能力是可行的。肌氧可以同心率一样成为监测肌肉组织代谢状态的一项无损、敏感的新的评价指标,以检测评定运动员的生理机能和运动训练效果。
3 NIRS组织血氧仪在运动领域的研究、应用现状及趋向
3.1研究现状
研究者主要以血氧参数与传统的指标如血乳酸、摄氧量、心率 、肌电等的关系来说明NIRS在体育运动中应用的可行性。部分学者研究了肌氧饱和度对运动功能的评估;观察运动员低氧下递增负荷运动时肌氧饱和度的变化以及脑氧饱和度变化特征;还有学者进行了运动和运动想象时大脑皮质血氧反应监测的研究。
3.2 应用现状
通过查阅、问讯、走访国内进行体育研究的科研所、高等院校。目前只有北京体育大学等不足十所高校和体育科研所拥有近红外组织血氧参数无损监测仪。我国有144所本科体育院校(不包括专升本的院校)。普通高等院校的体育教学部有很多都在从事体育科学研究;全国有34个省市、自治区、特别行政区都有体育科学研究所或从事体育研究的专门机构,以此计算,NIRS组织血氧参数无损监测仪的拥有率还不足4%。
3.3 存在问题
根据调查结果显示我国自主生产的NIRS组织血氧参数无损监测仪运用于运动人体研究的科研人员很少。主要是研究者对NIRS技术的优越性缺乏了解,评定方法的系统化和标准化程度较低,影响许多科研成果的应用;运动人体存在其自身的复杂性,机体处于不同的状态下和环境中,测试数据受到噪声或干扰,影响测量准确度和稳定性;在我国研究因缺乏系统的理论指导尚停留在描述层面,具体运用目前还没有形成独立的体系,不能作为全面评价运动人体机能的依据。需进一步在理论基础上研究其实际意义,软件与硬件的不足亟待改进,以解决运动训练科学化监测和应用要求。
3.4 研究趋向
目前NIRS技术在运动领域中应用于基础方面的研究居多,如果可以同时测量同一块肌肉的不同部位或不同肌群对比的肌氧变化,对于今后监控运动训练有极大的意义,需要NIRS技术含量更高的设备出现。
NIRS也可用于对心血管疾病患者的康复评定,Belardinelli在心血管患者与正常个体运动后的肌氧及摄氧量恢复的研究中发现,二者有明显的差异。此外,运动与想象运动时脑部的活动是目前研究的热点,Ide是率先研究了亚极量自行车运动时脑部的氧与代谢的,Nielsen证明了提高运动能力必须提高吸入气体中氧的比例,不是影响运动肌而是与维持脑氧有关。肌肉疲劳与肌氧的关系以及机体疲劳与脑氧的关系也值得深入探讨,运动后肌氧恢复、想象运动时的脑氧变化还有待于进一步研究,而这些研究都可以借助无创的NIRS技术进行。
4 结论
近年国内外学者广泛研究了运动人体组织氧含量的变化,揭示了人体组织运动的氧化代谢规律 。氧是人体最重要的生命物质之一,缺氧会使组织受到不可逆的损害,直至危及生命脑组织(大脑皮层),只有人体组织供氧充分,并维持正常的氧合水平,才能实现正常的生命活动。
在我国,由清华大学、华中科技大学分别研发的NIRS血氧监测仪以无损、实时、连续、直接检测的优势应用于运动人体科学研究中。在骨骼肌氧代谢功能评定方面已获取特征参数,为运动人体机能评定、医务监督、运动损伤的防治提供了科学的评定、诊断、治疗的方法和手段。本文诣在人们通过对NIRS血氧参数无损检测仪技术的不断了解,认识到NIRS技术与传统有创、离体、繁琐的技术相比,具有不可替代的特色和优势,必将成为体育科学研究中运动人体应用的趋向。
