100米跑高强度运动对心血管的冲击影响

邢 瑜，王培勇，张 威，龙非筱，傅兰英

（1.清华大学体育部，北京 100084;2.清华大学医学院，北京 100084;3.新乡医学院，河南 新乡 453003）

100米跑高强度运动对心血管的冲击影响

邢 瑜1，王培勇1，张 威1，龙非筱2，傅兰英3

（1.清华大学体育部，北京 100084;2.清华大学医学院，北京 100084;3.新乡医学院，河南 新乡 453003）

目的：设计实时的肌肉组织血氧量和瞬时心率无损同步检测方案与设备，为研究100m跑高强度运动对心脏的冲击影响、探讨高强度运动中的代谢规律提供测试手段。方法：采用连续双波长近红外光测量肌肉中血红蛋白与肌红蛋白含氧量的变化情况;采用有源无线心率传感器和自行设计的转发器及配套PC软件测量瞬时心率，进行100m跑同步实测实验。结果：100m跑以无氧代谢为主;起跑后的前7s为无氧代谢的非乳酸过程，肌氧饱和度曲线变化不大;7s后开始消耗肌肉中储存的氧。结论：双波长近红外光组织氧测试法和运动心率无线实时采集系统能够正确实时同步地检测高强度运动时的血氧和心率，揭示了高强度运动过程中肌肉中氧的运输与消耗及心率之间的动力学过程。

运动生理学;高强度运动;肌氧;瞬时心率;心脏冲击

1 研究目的

在高强度运动过程中，运动人员到达终点线数秒后摔倒的现象时常发生，甚至出现死亡事故。医学上用重力性休克解释这种现象，认为高强度跑步运动中人体下肢肌肉的毛细血管大量扩张，在突然中止运动或强制回到静止状态时，下肢毛细血管和静脉便失去“肌肉泵”的挤压作用，同时由于重力的原因，大量血液停留在下肢舒张的血管中，造成回心血量减少，心输出量也随之减少，使心肌和大脑突然缺血。对于此类运动猝死，医学上主要归结为心源性猝死和脑源性猝死两大类［1，2］。

笔者在查阅资料中发现，运动骤停前后心血管工作情况以及组织氧代谢情况的实时检测与相关专题分析研究鲜见报道。

近年的研究发现，在100－200米跑高强度运动中（包括长距离跑的终点冲刺），当运动停止时，外负荷消失，但心率并没有随之开始下降而是继续加快一段时间，这一现象值得注意［3－4］。我们推测，由于低强度运动不存在这种现象，所以可能有这样一个关系：在意识的引导下外负荷增加，导致体内能量消耗也同步增加，然而能量物质合成的速度落后于分解的速度，两者之间的速度差是体内能量物质急速合成、募集并通过心血管系统向各运动单位输送的主要动因，也可能是“超量恢复”的成因，这个速度差越大，对心脏造成的负担就越重。这类事故可能是运动者在到达终点后外负荷消失，身体募集的能量失去了恰当的消耗目标，而使心血管系统承受了内负荷的巨大压力，造成心血管系统或者大脑的某一部位损伤或崩溃。［5］

心率水平反映了人体的工作强度，组织氧水平可以推测人体的疲劳状态。研究这些可以对运动人体的瞬时心率、组织氧的实时动态进行无损检测，这将为高强度运动骤停时对心血管的冲击影响研究提供重要的依据［6，7］。

2 研究方法

2.1 制备瞬时心率检测与监控的设备

目前市场上现存的心率检测监控设备不能同时具备实时性和高采样率，关键是所采集数据不具备后期分析的可能性。考虑到高强度运动中实验仪器的便携性以及高采样率对实验的完成有着极其重要的作用，因此本实验中的心率设备是使用既有心率带、设计基于nRF24E1的无线心率采集系统。

系统总原理如图1所示：

图1 无线心率设备总框图

图2 运动骤停前后的心率曲线

2.2 改良肌氧含量的无损检测仪

本实验中所使用的仪器原理是使用近红外光直接测量局部组织氧饱和度。人体的氧代谢过程主要由氧合血红蛋白和还原血红蛋白的相互转化完成。人体组织中主要对红外光吸收的物质是氧合血红蛋白、还原血红蛋白和水。选择合适的波长，可以使两种血红蛋白的吸收系数远大于水，因此可以认为组织中的吸收体主要是氧合血红蛋白和还原血红蛋白，从生理学可以知道，组织氧含量在人体中的变化相对较慢（可以认为在单位时间内基本保持不变），因此在血红蛋白浓度变化时，将变化前后的光密度相减，就可以得到氧合血红蛋白的变化量以及还原血红蛋白的变化量［7－11］。为求得血氧饱和度的值，可以采用两个检测器的办法。

本实验中所使用的仪器具体由反射式传感器、MCU数字信号处理模块、发射模块、接收模块及相应的接口电路和电源管理电路构成。可以采用反射式传感器实现对光信号的检测。其中反射式传感器具有控制光源、信号转化以及放大的功能。根据上述原理，光源采用发光波长为760nm和850nm的高亮发光二极管，光电探测器用一片硅光电二极管。由于只使用了一个光电探测器，所以只能对血氧参数的相对变化量进行研究，得出氧合血红蛋白的变化量以及血量的变化量（定义为还原血红蛋白的变化量与氧合血红蛋白的变化量之和）［12－13］。

2.3 选择实验对象

在进行高强度（100米跑）实验前，为了对可能出现的运动规律进行研究，我们进行了高强度运动的预实验，这包括原地快速跑以及电动跑台实验，实验人数达120人次。在实验中，发现有的受试者在结束运动瞬间开始，心率并没有随着外负荷的结束下降进入恢复阶段，而是有一个心率继续快速上升的过程。运动肌群中的氧合血红蛋白的变化量在运动中下降，受试者结束运动瞬间，氧合血红蛋白的浓度仍继续下降，然后才进入恢复阶段。考虑到原地快速跑以及跑台实验刺激强度不够，为了深入研究高强度运动的运动规律，所以进行了在运动场内标准跑道上的100米跑实验。

实验对象的选择：实验对象主要由清华大学在校男性大学生50人组成，实验对象平均年龄为23岁，身体健康，以上受试者均身体素质良好，并有较好的日常锻炼习惯。

实验过程：每名受试者实验开始前，先进行常规的热身活动，然后佩戴好实验仪器开始100米跑。同时记录受试者的心率、血氧参数和运动时间，在冲过终点后，再继续进行一段心率记录以及血氧参数的采集，实验结束。

测试时间为上午9点，气温24±2℃，无风。

2.4 确定数据采集部位

实时心率采集是采用现有的suunto心率带，常规佩戴方法;组织氧的采集部位是跑动过程中做功量较大的股四头肌，取髌骨上十公分中部，用弹性带固定。心率数据接续转发器和组织氧数据暂存器分别用弹性带固定在两侧上臂处。

3 研究结果

3.1 高强度运动结束后的心率变化特点

在高强度运动100米跑中，受试者通过终点后，心率继续上升，然后再缓慢恢复至安静状态的心率水平。这种现象，可以用图形的方式进行描述，如图3所示某受试者的数据图像。

首先给出高强度实验受试者心率变化的特征图像。

图3 高强度运动受试者心率特征图线

TS：受试者运动时间，单位：秒

TR：受试者结束运动直到实验结束的时间，单位：秒

T1：受试者在结束运动瞬间，直到心率上升到最高值的时间，单位：秒

HR（t）：心率对时间的函数，根据不同的情况，可以看作连续函数或者离散函数，单位：1/分

HRmax：最高心率，单位：1/分

上图中起始时刻为受试者开始跑动的时刻，经过时间Ts，运动结束（到达绿线标识），又经过T1，运动心率达到最高值（蓝线标识），然后缓慢恢复到运动前水平（从绿线标识至实验结束，时间为TR）。由此可以看出，在高强度运动（100米跑）停止瞬间，心率继续上升，直到最大值，然后才缓慢恢复到安静时的水平。

在高强度运动实验中，最关心的现象是运动结束瞬间，单位时间内心率上升的幅度（曲线斜率）、心率的最大值（函数最值）以及时间T1。考虑到心率曲线在上升与下降阶段的不对称性，采用数据分段拟合的方法，同时，在分析曲线图像时以上升阶段为主。考虑到对于心率曲线的上升阶段如果有统一的表达式，将有利于进一步的数据分析和相关重要参数的计算，采用了两种拟和方法，即基函数为多项式函数的拟合方法和指数函数拟合方法去拟合心率上升阶段的曲线。

对于多项式函数的次数，根据拟合的结果，并考虑到方法的普适性，采用4次多项式（但实际次数可能会低于4），

基于以上的原因以及大部分受试者不能做到全力冲刺，所以在下文主要讨论其中特征最明显的6位受试者的心率曲线的上升阶段。关于函数系数的计算，可以将经过初步处理的数据，用最小二乘法进行估计。

根据拟合方程，可以得出运动结束时的心率、结束瞬间单位时间内心率上升幅度、最高心率以及时间参数T1。上面的4个参数，运动结束时的心率，结束瞬间单位时间内心率上升幅度（运动结束瞬间，心率曲线斜率）由拟合函数求得，最大心率和参数T1直接由数据计算（参数T1可以先求的心率达到最大值时所对应的时间，然后与运动时间相减便可）。经过计算，如表1所示：

表1 多项式数据拟合计算参数

表2 指数函数拟合计算参数

从以上的计算可以看出，两种数学拟合方法在运动结束心率参数计算的一致性较高，运动结束瞬间心率上升幅度趋势一致。由于多项式拟和计算简单并且有较好的精度，因此对于分析高强度运动过程中心率的变化是一种合适的方法。下面参数的计算采用多项式拟和方法分析心率数据。

为了找出上述各表所列的重要参数之间的联系，首先需要定义运动强度。为此综合各个文献的情况，再定义两个重要参量。

一个关于运动量的合理定义是心率函数对时间的积分，即

从以上的定义可以看出，运动强度的定义实际上就是心率函数在运动时间内的平均值。所以在给出运动强度的定义后，就可以找出运动强度同最大心率以及参数T1的关系。

同样可以类似定义出心率变化量在运动时间内的平均值，即

根据这两个定义，给出利用多项式拟和计算的受试者参数：

表3 用多项式拟和方法计算的100米跑特征参数表

通过上述计算，发现运动强度与最大心率和参数T1有比较大的关系。可以看到运动强度与最大心率有一个比较接近线性的关系，同时运动强度与参数T1也有一个比较接近线性的关系。

3.2 高强度跑结束后的组织氧变化情况

血氧参数中氧合血红蛋白的变化量在运动结束瞬间继续下降，达到最低水平，然后缓慢恢复，特征图像见图4。在血氧数据分析之前，同样给出某受试者的特征图像。图4中的点为数据点，曲线为相邻数据的连线，直线代表的时刻为受试者到达终点的时刻，图像起始时刻为受试者开始跑动的时刻。从这幅图中可以看到受试者到达终点后，氧合血红蛋白的变化量继续下降，直到达到最小值，然后再缓慢恢复到正常水平。

通常，100米跑被认为是强度最大的径赛项目，在实际的训练和比赛中，过去根本无法获取它的供氧参数，也无法在实验室内真正仿真。我们以100米跑的血氧供应为研究目标，将HEO－100测试系统与自设计心率无线检测系统用作100米训练过程中的现场同步测试。

图4 高强度运动受试者氧合血红蛋白的变化量特征图线

我们随后在清华大学、北京体育大学、首都体育学院对数十人次进行了运动测试，训练水平良好的运动员几乎全部出现了类似的现象，现举例如下：

图5 100米跑氧饱和度和瞬时心率变化曲线

在图5中，A线左侧为运动员起跑之前的状态，A和B之间为运动员100米跑的全过程（成绩为15.32秒）。在此阶段，股四头肌的肌氧含量在起跑的前7秒没有大的变化，而在7秒之后呈急剧线性下降状态，在此阶段，运动心率也出现线性上升状态，心率的线性缓慢上升是在起跑时就开始的。在B线的右侧，代表终点冲刺之后的恢复期，此时，肌肉中的氧含量仍继续下降，其斜率与终点之前没有显著性的变化，延续到24秒之后才开始恢复，到2分钟后才恢复到接近起跑前的状态。在此阶段，心率曲线也出现与肌氧含量曲线类似的情形，值得注意的是：心率的最高点出现在终点冲刺后的5秒左右时刻，而在5秒之后才线性下降，经1分钟后恢复到接近起跑前的状况。

我们认为，当外负荷消失后（100米跑到终点时），内负荷并没有消失，而是继续加重。内负荷在终点之后加重的原因可能是：外负荷的快速加大，造成体内能量物质合成和分解之间的较大速度差，募集的能量以血流的形式通过心脏快速送到需求部位，上述速度差越大，所募集的能量的量也越大，汇集的速度也越快。当外负荷消失后，所募集的能量无处可送，其巨大的冲量对冠状动脉、肺循环系统和大脑带来较大影响。

4 研究结论与建议

（1）无损近红外技术结合心率遥测手段，可以获得各种条件下氧供给和氧消耗以及恢复过程中动力学的生理信息。经多人次和反复的测试证明，本实验室制备和改良的设备能够反映受试者运动时的生理参数变化，设备的稳定性较好，所测得的数据可以推测最大危险强度或者最大临界危险强度。对于健身锻炼的人可以提供运动处方，而对于竞技训练来说，则可以提供优化的体能训练方案。

（2）100米跑确实是一个无氧代谢为主的运动项目，起跑开始后的前7秒为无氧代谢的非乳酸过程，即由储存在体内的ATP直接分解供能，表现在肌氧饱和度曲线在这7秒内的变化不大，7秒后开始消耗肌肉中储存的氧。

（3）高强度运动对心脏的冲击影响并不是发生在承受外部负荷的运动中，而是发生在高强度运动停止瞬间为分界线之后的一定时间之内，这种快速的强烈冲击有危害生命的可能，因此应引起高度重视，在运动训练和体育锻炼中应加强预测，根据运动对象的实际情况，合理安排运动负荷强度。

［1］全国体育教材委员会审定.运动生理学［M］.北京：人民体育出版社，2000.

［2］全国体育教材委员会审定.运动医学［M］.人民体育出版社，2000.

［3］ 王培勇，丁海曙.Comprehensive measurement of sprinter＇s energy metabolism using optical－electric infrared spectroscopy technique［R］.国际无损光电检测科技报告会大会报告，1996，5.

［4］马永利，王培勇.运动心率检测系统的研制及心率与肌氧含量同步实验研究［J］.北京生物医学工程，2005，24（4）：299－301.

［5］苏畅，王培勇.肌氧含量的无损检测及其在体育运动中的应用［J］.清华大学学报，1997，37（4）：81 －84.

［6］王培勇，龙非筱，傅兰英，等.用近红外无损肌氧及运动心率检测技术评定100 m极量强度运动对心脏冲击影响［J］.光谱学与光谱分析，2010，30（2）：340 －344.

［7］Britton Chance，and john R.Wilson（1994）：Validation of near－ infrared spectroscopy in humans［J］.Am.J.Physiol：2740－2747.JI.

［8］ Irwin MS，Thorniley MS，Green（1993）：Non － invasive monitoring of tissue and haemolobin oxyenation in the rabbit hind limb［J］.BiochenSoc Trans：21：502s..

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［10］Kent－Braun（1991）：Noninvasive measurements of activity－ induced changes in muscke metabolism.J.Biomechanics Vol.24 Suppl.l.pp153 －161..

［11］Kurosawa，and Britton Chance（1996）：Noninvasive measures of oxidative metabolism on working human muscles by near infared spectroscopy［J］.Am.J.Physiol：1401 －1416..

［12］丁海曙，王培勇，王广志.动脉血管及肌肉中含氧量的无损检测［J］.世界医疗器械，1996，1：40.

［13］腾轶超，丁海曙，龚庆成，等.近红外光谱监测体外循环手术中脑组织氧合状况的研究［J］.光谱学与光谱分析，2006，26（5）：828－832.

Discussion on the Cardiovascular Impacts of 100m High Intensity Exercise

XING Yu，et al
（Tsinghua University，Beijing China 100084）

The purpose of the research is to design the real－time oxygen blood of muscle tissues and the synchronous detection schemes and equipment for instantaneous nondestructive heart rate in order to provide detection means for the study of the impacts of 100m running on heart and for the exploration of the metabolic regularity in high intensity exercise.The methods of adopting near infrared of continuous double wavelengths are used to measure the changes of oxygen contents in hemoglobin and myohemoglobin in muscles.The Finnish SUUNTO active wireless heart rate sensor and the self－designed repeater with the supporting PC software are adopted to measure instantaneous heart rate and to carry out the synchronous 100m running measurement experiment.The results show that 100m running mainly indicates anaerobic metabolism，the first seven seconds after start running belong to the non－lactic acid process of anaerobic metabolism with little change in the saturation curve of muscle oxygen and the oxygen stored in the muscle begins to be consumed after 7 seconds.The conclusions of the research are as follows：the testing method of near infrared of and the double wavelengths and the real－time and wireless data acquisition system can correctly and synchronously detect the blood oxygen and heart rate when exposed to high intensity exercise，which reveals the dynamic process between oxygen transportation and muscle consumption and heart rate.

sports physiology;high intensity exercise;muscle oxygen;instantaneous heart rate;heart impact

G804.2

A

1001－9154（2012）01－0086－06

G804.2

A

1001－9154（2012）01－0086－06

国家社会科学基金“十一五”规划2010年度教育学一般课题。批准号：BLA100100

邢瑜（1970－），男，山东郓城人，讲师，博士，研究方向为人体运动信息采集与仿真。

2011－11－01