急性低氧对自行车运动员递增负荷运动时肌氧饱和度的影响

何 琳，徐 飞，马国东，李 岳，腾轶超

●成果报告

急性低氧对自行车运动员递增负荷运动时肌氧饱和度的影响

何 琳1，徐 飞2，马国东1，李 岳3，腾轶超3

目的：通过近红外光谱技术观察自行车运动员低氧下递增负荷运动时肌氧饱和度的变化，探索可靠、有效、无创的评价肌肉疲劳指标。方法：连续监测15名自行车运动员常氧和急性低氧环境下递增负荷运动时心肺系统和肌氧饱和度的变化。结果：（1）低氧条件下，由开始运动到75%最大功率，Δ[HbO2]降低、Δ[HHb]增高；由75%至100%最大功率时，Δ[HbO2]保持不变，而Δ[HHb]和Δ[THb]增加，但在4个不同功率等级下低氧Δ[HbO2]均高于常氧值，Δ[HHb]在50%、75%和100%最大功率时均低于常氧对应值；（2）运动员在低氧运动时，无氧阈（VT）和最大摄氧量（V O2max）出现时对应的心率、气体代谢、血氧饱和度（SpO2）和功率都出现降低；其中VT和VO2max对应的VO2、VE/VO2、VE/VCO2和SpO2都低于常氧运动时的值。结论：（1）自行车运动员低氧运动时相对强度增大，而低氧通气反应显著高于常氧水平，提示提高自行车运动员在高原训练和/或比赛时的低氧通气反应有利于提高其有氧能力；（2）低氧运动时Δ[HbO2]显著高于常氧值，Δ[HHb]显著低于常氧值，说明肌氧饱和度是反映肌肉疲劳程度的敏感指标，可考虑将其作为监控和评价自行车运动员训练、比赛的指标。

急性低氧；自行车运动员，近红外光谱技术（NIRS）；肌氧饱和度

在自行车项目中，运动员竞速能力是竞技能力的核心。竞速能力包含的起动速度、加速能力、最高速度和高速耐力都与肌肉工作能力密切相关[1-4]。因自行车项目需要长期骑行的项目特点（如著名的环法大赛和我国的环青海湖自行车赛等），运动员常在高原进行比赛和训练，所以探索高原和低氧环境下科学化训练的方法和评价训练效果的有效指标一直是科研人员追求的目标[5-6]。

众多研究已证实肌肉和血液中氧含量的变化对工作肌有极大影响，当肌肉氧含量供给不足时会加速疲劳的产生从而导致肌肉工作能力下降[7-8]。自行车运动员对大腿肌肉工作能力要求很高，所以如何监控和评价自行车运动员骑行过程中大腿工作肌的氧含量变化就具有重要现实和理论意义。以往评价肌肉疲劳的经典指标是有创取血离体测定技术，有一定的局限性。随着近红外光谱测试技术（near-infrared spectroscopy，NIRS）在体育领域的应用，为自行车运动项目的科学化训练和实时监控、评价提供了极大便利，其具有无创、实时和有效的特点。有研究证实，中长跑运动员肌氧变化对运动强度极为敏感[9]，且递增运动后肌氧变化与血乳酸变化趋势一致[10]，提示肌氧饱和度可作为评价运动能力的有效指标。新近研究证实NIRS技术能反映出肌肉代谢情况[11]，甚至有学者报道肌肉氧代谢随运动强度的增加逐渐降低，最终达到一个类似最大有氧功率输出的平台值[12－13]。目前关于自行车运动低氧环境下训练或比赛时肌氧变化的报道较为少见，本研究探讨了自行车运动员急性低氧环境下递增负荷时肌氧饱和度的变化情况，以期为该项目科学化运动训练和运动员机能评定提供参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

15名有高原训练经验，半年内未上过高原的某省自行车队队员（9男6女，健将级5人，一级运动员10人）自愿参与本试验。受试者熟悉试验流程后，在正式试验前签署知情同意书。所有运动员无心肺系统疾病史、无吸烟史，其基本情况（M±SD）为：年龄（23±4）岁，身高（176±6）cm，体重（71±4）kg，大腿皮褶厚度（7±3）mm，血红蛋白（159±0.7）g/dL，红细胞压积45%±2%。

1.2 试验设计

运动员常氧基础值测试后休息2～3天，对15名运动员随机编号为1～15号，1～8号运动员先进行常氧测试（FIO2=21%），9～15号运动员进行低氧测试（FIO2=14.0%，模拟海拔约3 200 m，约为青海湖地区平均海拔）；休息1周后随机顺序交换测试环境，1～8号运动员进行低氧测试（FIO2=14.0%）；9～15号运动员进行常氧测试（FIO2=21%）。

递增负荷测试：受试者在22℃、38%相对湿度的常氧和低氧环境下进行递增负荷运动直至力竭。运动方案为：运动员在Monark 839E功率车（瑞典）上热身10 min后安静，以75 W为初始负荷，每2 min递增25 W直至经鼓励后运动员力竭（满足下述2项标准判定为力竭）：（1）呼吸商≥1.1或出现最大摄氧量平台；（2）心率超过170 bpm；（3）RPE≥17或不能达到60 rpm转速；同期进行气体代谢分析（Max II，美国）；运动终止时的功率计为运动员的最大功率，运动过程中同步记录心率（Poalr S810，芬兰）和血氧饱和度（Nonin 3100，美国）。

肌氧饱和度测试：采用近红外光谱（NIRS）肌氧饱和度监测仪（TSHA－100，中国）[14]记录运动员肌氧饱和度：包括肌肉中氧合血红蛋白（HbO2）、还原血红蛋白（HHb）及总血红蛋白（THb）；测试时探头放置于股外侧肌肌腹中部，光源和感光元件轴线平行于大腿肌肉方向，光探头用弹力绷带轻微固定，防止光探头漏光和运动时随光源移动，同时避免造成局部缺血[15]。

1.3 数据处理

1名男运动员中途因故退出试验，故最终完成试验运动员14人。全部NIRS数据均用相对于运动开始前即刻安静状态时（0 μM）微摩尔浓度的变化量（Δ[HbO2]、Δ[HHb]和Δ[THb]）来表示，运动强度采用最大运动强度的百分比表示。常氧和低氧状态下对气体代谢相关指标采用t检验；常氧和低氧状态下，相对运动强度（分为25%、50%、75%和100%Peak Power）的肌氧指标采用单因素方差分析，绝对强度（100和200 W）的肌氧指标采用T检验。所有数据用均数±标准差（±SD）表示，显著性水平置于P≤0.05。

2 试验结果

2.1 急性低氧下递增负荷运动对自行车运动员无氧阈和最大摄氧量的影响

运动中及运动后运动员主观报告无急性高原反应相关的头晕、头痛、恶心等症状。但运动员在低氧下运动时，无氧阈（VT）和最大摄氧量（VO2max）出现时对应的心率、气体代谢、血氧饱和度（SpO2）和功率都出现降低；其中VT和VO2max对应的VO2、VE/VO2、VE/VCO2和SpO2都低于常氧运动时的值。低氧与常氧相比，运动员VT和VO2max出现时对应的功率分别降低33%和28%（P＜0.05）（见表1）。

注：*与常氧相比有显著性差异（P＜0.05）。

2.2 急性低氧下递增负荷运动对自行车运动员肌氧饱和度的影响

常氧和低氧条件下运动员各功率等级下的肌氧饱和度变化见图1。低氧条件下，由开始运动到75%最大功率，Δ[HbO2]降低、Δ[HHb]增高；由75%至100%最大功率时，Δ[HbO2]保持不变，而Δ [HHb]和Δ[THb]增加（见图1、表2）。常氧时，肌氧饱和度（Δ [HbO2]、Δ[HHb]和Δ[THb]）与常氧条件下变化趋势大致相同；但在4个不同功率等级下低氧Δ[HbO2]均高于常氧值（见图1 A），Δ [HHb]在50%、75%和100%最大功率时均低于常氧对应值（见图1 B），而Δ[THb]在各相对功率等级时无显著性差异（见图1C）。

图1 不同相对功率等级下常氧与低氧间肌氧饱和度的变化Figure 1 Underdifferent relative powerlevels between normoxic and hypoxic changes in muscle oxygen saturation

注：*与常氧比较P＜0.05，与25%最大功率比较P＜0.05，与50%最大功率比较P＜0.05，§与75%最大功率比较P＜0.05。

Table 2 The relative powerof the corresponding changes in muscle oxygen saturation（±SD）

本研究还考察了绝对功率下运动员肌氧饱和度的变化情况，发现Δ[HbO2]随运动负荷的增大而降低（P＜0.05），但低氧下降低幅度大于常氧值；Δ[HHb]随运动负荷的增大而增加，但低氧下增加幅度大于常氧值；而Δ[THb]随着运动负荷的增大而显著增加，但低氧和常氧下不同绝对功率时对应值无显著性差异（见表3）。

表3 绝对功率时肌氧饱和度的变化（±SD） （W）Table 3 Muscle oxygen saturation changes in the absolute power

表3 绝对功率时肌氧饱和度的变化（±SD） （W）Table 3 Muscle oxygen saturation changes in the absolute power

注：*与常氧比较P＜0.05，#与100 W比较P＜0.01。

3 分析与讨论

自行车运动员常在高原地区进行训练和比赛（如著名的环法和我国的环青海湖自行车赛），但不同运动员对低氧耐受性存在较大的个体差异[16]，这为监控和评价自行车运动员的竞技能力带来了较大困难。本研究在相对最大功率的基础上评价和分析相关指标的变化（不同运动员在低氧环境下最大工作能力有差异，但最大功率的百分比对个人而言相同）[17]，这样就更好地控制了运动员低氧适应能力的个体差异，为精确评价和分析运动员低氧情况下肌氧变化提供了可靠的前提条件。

常氧运动时，运动强度对人体的生理反应和代谢调节（如心血管功能和呼吸功能等）起主要作用[18]。本研究发现自行车运动员在低氧下运动时VT和VO2max出现时对应的生理指标都出现降低，其中运动员达VT和VO2max时其HR、VO2和SpO2显著低于常氧运动VO2max出现时的值（见表1），这主要是因为运动员在高原低氧环境中以相同强度进行运动时其血液携氧量显著下降（表现为SpO2显著下降），造成相对运动强度显著增加[17，19]。而造成相对强度显著提高的主要原因是低氧环境下VT和VO2max的降低，因AT和VO2max是反映人体有氧运动能力的重要指标，二者的显著降低意味着有氧运动能力的显著下降，提示自行车运动员在高原比赛时其有氧能力较大程度受高原低氧的影响，这与Tannheimer等对登山运动员的研究结果较为一致，他们也发现VO2max随着海拔高度的增加而出现不同程度的下降[18]，Wehlin等甚至发现海拔高度的增加与VO2max的下降呈线性关系[20－21]。所以提高自行车运动员高原比赛时的有氧能力可能是提高其运动成绩的关键。最新的研究发现运动员低氧通气反应指标可以反映运动训练水平[20]，Adamczy等发现世界级优秀皮划艇运动员的低氧通气反应与VO2max显著相关[22]，优秀运动员VO2max显著高于青少年运动员和对照组。本研究发现低氧下VE/VO2和VE/VCO2都显著高于常氧对应值，所以提高自行车运动员在高原训练和/或比赛时的低氧通气反应有利于提高其有氧能力和运动成绩。

自行车运动有长时间骑行结合冲刺的项目特点，虽然有氧能力是取得优异成绩的重要基础，但其竞速能力包含的起动速度、加速能力、最高速度和高速耐力主要依靠肌肉的工作能力。研究也已证实肌氧饱和度与肌肉疲劳密切相关[23]，所以评价运动员肌氧饱和度的变化可能为其科学训练和机能评定提供重要参考。目前关于自行车运动员高原低氧下肌氧变化特点的研究尚不多见，本研究发现低氧条件下，由开始运动到75%最大功率，Δ[HbO2]降低，由75%至100%最大功率时，Δ[HbO2]基本保持不变；低氧下Δ[HbO2]在4个不同功率等级均显著高于常氧值（见图1 A）。分析原因认为，HbO2是血红蛋白和氧分子的结合物，其运输方式为通过与氧可逆性地结合而生成，肌肉内血红蛋白就是以HbO2运输氧气[24]，当递增负荷运动时，强度增加引起肌肉消耗能量增加从而导致HbO2逐渐降低，所以当运动强度超过无氧阈时，HbO2下降更为明显。本研究发现运动员在常氧和低氧下HbO2都呈现同样的趋势，但低氧下运动导致HbO2显著低于同等强度时的对应值（见图1A），说明低氧和运动的双重刺激加剧了肌肉的缺氧程度，提示HbO2能反映出肌肉疲劳程度，当运动强度增大肌肉工作能力降低时，HbO2是反映肌肉疲劳程度的敏感指标。张力等的研究结果也证实，肌氧出现显著降低时与乳酸阈出现的时间较为一致[23]。所以，笔者认为HbO2是反映肌肉疲劳的可靠、无创指标，其在监控自行车运动员训练过程中有较好的应用前景。

本研究还发现低氧运动时，Δ[HHb]在50%、75%和100%最大功率时均显著低于常氧对应值（见图1 B），在100 W和200 W绝对功率时亦呈现出同样的变化趋势（见表3），这较好地支持了Subudhi等的研究结果，其发现运动导致Δ[HbO2]降低、Δ [HHb]增高、Δ[THb]增高，当运动强度增大时受试者股外侧肌氧合状态呈线性下降，一旦超过90%最大功率，肌氧饱和度达“平台期”（则氧解离率下降）。这主要是因为HHb反映的是未携带氧的血红蛋白，当毛细血管中还原血红蛋白量过高时，机体会出现紫绀（cyanosis）症状。而低氧运动时因相对强度增大，运动员局部肌组织缺氧与常氧状态相比更为严重，Δ[HbO2]降低、Δ [HHb]增高的现象证实低氧导致了肌肉脱氧程度加剧，所以通过有效的低氧/高原训练减缓肌肉内氧解离程度可能是提高运动员肌肉工作的关键因素。但Nielsen等研究发现，尽管通过吸氧能显著提高低氧环境下的运动成绩，但并不能改变肌肉组织的氧解离模式[25]。虽然迄今为止尚不能肯定低氧/高原训练能否改变肌组织的氧解离模式，众多研究证实通过低氧/高原训能加速肌肉内氧的解离程度，这也是低氧训练提高运动员成绩的非血液学机制的重要组成部分。从这个角度而言，也证实肌氧含量相关指标是反映运动员肌肉工作能力较好的无创指标。需注意的是，目前运动过程中血液和肌肉间的氧转运率仍不明确（因为NIRS技术监测的是肌肉内总的氧饱和度，其尚不能区分血红蛋白和肌红蛋白），此外，运动导致的肌肉内血流量重新分配（动态调节过程），肌肉内氧气通过肌细胞膜的扩散速率还不确定，所以，运动员在低氧/高原环境下运动或比赛时，为了保持较强的运动能力和取得更好的运动成绩，其机体需要更强的生理和代谢调节才能维持机体的运动能力与内环境的稳态。

4 结 论

（1）自行车运动员低氧下运动时相对强度增大，AT和VO2max显著低于常氧水平，而低氧通气反应显著高于常氧水平，提示提高自行车运动员在高原训练和/或比赛时的低氧通气反应有利于提高其有氧能力。

（2）低氧运动时Δ[HbO2]显著高于常氧值，Δ[HHb]显著低于常氧值，说明肌氧饱和度是反映肌肉疲劳程度的敏感指标，可考虑将其作为监控和评价自行车运动员训练、比赛的指标。

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Effects of Acute Hypoxia on Muscle Oxygen of Cyclists during Incremental Exercise

HE Lin1，XU Fei2，MA Guodong1，LI Yue3，TENG Yichao3
（1.Dept.of Sport Biological Science，Jilin Institute of Physical Education，Changchun 130022，China；2.Dept.of PE，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China；3.Dept.of Biomedical Engineering，School of Medicine，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Purpose：The purpose the present paper is to observe the changes of muscle oxygen of cyclists during acute hypoxic incremental exercise by using the near-infrared spectrum technique，and to explore the reliable，effective and non-invasive markers to evaluate the muscle fatigue.Methods：The study was conducted using a cross-over design.To investigate the changes of cardiopulmonary and muscle oxygen when 15 elite cyclists（9 male and 6 female）were performed maximal incremental exercise test under normoxic and acute hypoxic conditions.Results：（1）The change of oxyhemoglobin（Δ [HbO2]）decreased and the change of deoxyhemoglobin（Δ[HHb]）increase at the 75%peak power in the hypoxia，respectively.In addition，Δ[HbO2]had no obvious changes and Δ[HHb]和Δ[THb]increased slightly between 75%and 100%peak power.However，Δ[HbO2]was significantly higher than nomoxic values in 4 relative peak power levels and Δ[HHb]was significantly lower than normoxic values in 50%，75%and 100%peak power.（2）In hypoxia，the corresponding values of VT and VO2max（HR，gas metabolic markers and SpO2）decreased.The VO2，VE/VO2，VE/VO2and SpO2are significantly lower than nomorxia.Conclusion：（1）In hypoxia exercise procedure，the cyclists'relative exercise intensity is increased and hypoxic ventilation responses are significantly higher than normoxic values，which indicated that increasing the hypoxic ventilation response level is beneficial to improving aerobic capacity.（2）Δ[HbO2]of hypoxia is significant higher and Δ[HHb]is significant lower than normoxia，which suggested that muscle oxygen is sensitive to muscle fatigue，maybe the NIRS technique could be use to monitoring and evaluating cyclists'competition and training procedure.

acute hypoxia；cyclists；near-infrared spectroscopy（NIRS）；muscle oxygen

G 804.7

A

1005-0000（2010）06-0478-04

2010-08-31；

2010-11-17；录用日期：2010-11-18

国家自然科学基金项目（项目编号：60578004）

何 琳（1972-），女，吉林吉林人，讲师，研究方向为运动生理学。

1.吉林体育学院运动人体科学系，吉林长春130022；2.浙江工业大学体军部，浙江杭州310034；3.清华大学医学院生物医学工程系，北京100084。