游泳运动员短时间高强度间歇训练中肌氧含量及相关指标的变化特征

陈 万,田诗彬,刘 倩,张晓辉,黄 超,刘振宇,李 岳

游泳运动员短时间高强度间歇训练中肌氧含量及相关指标的变化特征

陈 万1,田诗彬2,刘 倩1,张晓辉1,黄 超1,刘振宇3,李 岳4

目的:探讨游泳运动员短时间高强度间歇训练过程中肌肉氧参数动态变化特征和规律,以及训练前后的血乳酸(LA)、心率(HR)、主观疲劳感觉(RPE)变化及相关性。方法:随机选取山东省游泳运动员(n=15)采用短时间高强度间歇训练模式,全力蹬踏功率自行车30秒、休息120秒、重复进行3次为一组、共2组,组间休息3-4分钟。连续监测受试者短时间高强度间歇训练过程中股外侧肌组织肌氧参数变化;每次全力蹬踏30秒后即刻测试受试者RPE;整个训练过程中实时同步监测HR,并于每次全力蹬踏30秒后即刻读取并记录受试者HR;分别在训练前后即刻取受试者指尖血10μL,测试LA值。结果:(1)全力蹬踏功率自行车过程中股外侧肌组织氧合血红蛋白含量(CHbO2)和局部组织肌氧饱和度(TOI)迅速下降、肌组织还原血红蛋白(CHb)迅速上升;(2)两组短时间高强度间歇训练后LA、HR、RPE都分别显著高于训练前(P＜0.01); (3)训练前后的LA、HR、RPE之间具有高度相关性(P＜0.01)。结论:(1)可通过近红外光谱技术监控短时间高强度间歇训练过程中肌组织中CHbO2、CHb、TOI动态变化趋势;(2)在短时间高强度间歇训练过程中,可以通过LA、HR、RPE直接有效地监控训练的强度。

短时间高强度间歇训练;近红外光谱技术;氧饱和度;血乳酸

2012年伦敦奥运会上,中国游泳队共获得5金2银3铜的好成绩,实现历史性突破,其中中短距离游泳项目50、100、200米共获得2金2银2铜,占中国游泳项目奖牌的60%。游泳比赛中运动员的技战术能力固然重要,但体能则是技战术发挥和提高运动成绩的根本保障。中短距离游泳比赛主要是酵解能系统供能为主,磷酸原系统和氧化能系统供能为辅,而短时间高强度间歇训练法(HIIT)正是发展这种方式供能能力的一种模式训练法[1]。本研究采用先进的近红外光谱技术(Near Infrared Spectroscopy,NIRS),监测短时间高强度间歇训练过程中肌肉氧含量变化,同时观察心率、血乳酸、主观疲劳感觉等变化,探究其相关性特征,为游泳运动员制定科学的体能训练计划并有效监控训练强度提供参考依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

山东省男子游泳运动员15人,年龄17.0±1.0岁,体重61.7±2.3公斤,平均专业训练年限7.8± 1.3年。受试者了解实验流程,实验期内未进行大强度运动,且本人签署知情同意书。

1.2 研究方法

1.2.1 运动方案

训练方式为蹬踏功率自行车(POWERMAX-VII,日本)。首先,通过最大无氧能力测试(间歇递增负荷测验法)获取每位受试者的个人最佳短时间高强度间歇训练值,即受试者进行短时间高强度间歇训练时的最佳负荷值;然后,每位受试者根据自己的最佳训练值,全力蹬踏30秒、休息120秒(从最后5秒开始倒计时,在倒计时结束后显示“开始”,进行下一次全力蹬踏30秒)、重复进行3次为一组的间歇训练,训练时间大约6分钟,连续训练2组,组间休息3-4分钟[2]。具体训练情况如图1所示。

图1 短时间高强度间歇训练模式

1.2.2 肌氧饱和度测试

使用组织血氧无损监测仪(TSAH-100,中国)监测肌氧饱和度。检测时选择蹬踏功率自行车训练时的主动肌——股外侧肌的中腹为监测点,将传感器探头纵向放置在一侧大腿股外侧肌肌腹中段的纵向平面上,光源与接收器连线平行于大腿。在监测受试者训练过程中股外侧肌群肌氧参数变化时,为避免汗水、漏光等因素影响ΔCHb(还原血红蛋白Hb的浓度相对于其初始值的变化量)、ΔCHbO2(氧合血红蛋白HbO2的浓度相对于其初始值的变化量)以及氧饱和度TOI,在测试部位与探头之间加一层透光性较高的薄膜,并用遮光的软物质包裹后,再用弹力绷带固定探头,松紧要适中,每次测试开始大约20秒后出现稳定值再开始正式记录[3-4]。

1.2.3 主观感觉疲劳程度及心率测试

实验前采用主观感觉疲劳程度(RPE)量表,测试并记录受试者RPE初始值,实验开始后每次全力蹬踏30秒后即刻测受试者RPE,并记录每次的RPE等级。整个实验前一周期让受试者做同样负荷的运动,测定受试者的RPE,以便受试者在做正式实验时对RPE能有准确的主观认识。整个训练过程受试者佩戴心率遥测表(RS-400 Polar,芬兰)实时同步监测心率,并于每次全力蹬踏30秒后即刻读取并记录受试者心率。

1.2.4 血乳酸测试

训练前取受试者指尖血10μL,用乳酸分析仪(EKF-c-line GP,德国)测试初始血乳酸值。受试者按训练模式蹬踏2组功率自行车后即刻指尖采血10μL,测试训练后即刻血乳酸值。

1.2.5 数据统计

数据统计和分析采用SPSS 17.0软件系统,数据结果均以“均值±标准差”(±s)表示。对训练前后肌氧饱和度、心率、主观感觉疲劳程度、血乳酸等指标数据进行配对样本T检验和Pearson相关分析。显著性差异水平为P＜0.05,非常显著性差异水平P＜0.01。

2 研究结果

2.1 短时间高强度间歇训练过程中肌氧变化

游泳运动员在训练过程中(3次 ×30秒 ×2组),对股外侧肌肌氧变化进行实时检测,得到每名受试者股外侧肌的ΔCHbO2、ΔCHb和TOI变化图,如图2和图3所示。

图2 受试者运动中肌氧含量变化

图3 受试者运动中肌氧饱和度变化

图2显示,短时间高强度间歇训练开始后, CHbO2急剧下降,CHb相应上升;当第1次运动30秒结束后,CHbO2开始上升并且超过初始值,CHb相应下降;第2次、第3次运动30秒肌氧变化和第1次运动具有相同的特点。第1组训练结束后休息3-4min,然后进行第2组训练,第2组训练过程中肌氧变化和第1组基本相同。图3显示为训练过程中股外侧肌局部氧饱和度(TOI)变化趋势,其变化特点基本和CHbO2变化特点相似。

2.2 训练前后相关指标变化及相关性结果

表1 训练前与训练后即刻肌氧饱和度、血乳酸、心率和主观疲劳感觉变化

表1显示,经2组短时间高强度间歇训练后即刻,受试者肌氧饱和度显著性低于训练前的安静值(P＜0.01),而血乳酸、心率、主观疲劳感觉都明显 高于训练前其安静值(P＜0.01)。

表2 各指标之间相关性

表2显示,肌氧饱和度与血乳酸、心率、主观疲劳感觉程度存在高度负相关性,肌氧饱和度和血乳酸相关系数r=-0.903(P＜0.01),肌氧饱和度和心率相关系数r=-0.923(P＜0.01),肌氧饱和度和主观疲劳感觉程度相关系数r=-0.892(P＜0.01)。血乳酸、心率、主观疲劳感觉三者之间存在高度正相关性:血乳酸和心率相关系数r=0.929(P＜0.01),血乳酸和主观疲劳感觉相关系数 r= 0.936(P＜0.01),心率和主观疲劳感觉相关系数r=0.992(P＜0.01)。

3 分析与讨论

3.1 肌氧变化及其相关性分析

由于近红外光谱术(NIRS)的波长为700～1000nm的近红外光,它对人体组织有良好穿透性,主要吸收氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)在该波段中的吸收谱存在显著差异。因此,二者对光吸收变化可以间接揭示做功时骨骼肌组织氧供与氧耗间的动态平衡。采用这种新型检测技术,可以实时监测运动员在训练过程中工作肌群肌氧含量的动态变化[3,5]。

图2显示,第1次运动开始后,CHbO2急剧降低、CHb急剧升高。主要是因为身体机能突然进入急剧增加负荷运动状态,运动开始阶段主动肌能量的消耗主要来源于磷酸原系统,磷酸原系统的恢复需要消耗一定量的氧气;同时肌肉的强力收缩,限制了运动肌肉的血流量,从而限制了氧的供应,氧分压迅速下降导致HbO2的解离加速,还原血红蛋白急剧升高[7,10]。运动中产生大量的乳酸(见表1)进入肌纤维细胞中被氧化则需要大量的氧气,氧供应的不足导致肌氧含量下降(见图2),这也是血乳酸和肌氧饱和度具有高度相关性的原因。

随着训练次数和组数的增加及时间的延长,训练过程中能量代谢产生的酸性物质在体内不断堆积,致使体内H+浓度增加,从而促进HbO2分解产生Hb和O2的速率(Bohr效应),导致CHbO2进一步下降,CHb升高[6]。当30秒全力蹬踏结束,CHbO2呈现快速上升趋势,ΔCHbO2含量表现出一个急剧反弹上升特点,而且在很短时间内(大约60-90秒)能够上升到接近或超过下降之前的水平。导致这一现象的主要原因是,在运动过程中工作肌群——股外侧肌组织内的大量毛细血管处于高度扩张且血液加速循环的状态,当运动突然结束时,毛细血管还处于高度扩张,血液较高循环的水平。此时第一个30秒运动已经停止,骨骼肌维持正常生理活动实际需要和消耗的氧气明显少于剧烈运动时所消耗的氧。在整个训练过程中股外侧肌CHb与CHbO2的变化趋势刚好相反。

骨骼肌工作时消耗机体大量的氧,当供氧不足,尤其是肌肉氧含量不足时会加速骨骼肌的疲劳,最终导致肌组织工作能力下降[7-8]。运动过程中,肌氧饱和度的变化主要反映了肌组织中静脉血氧饱和度的变化[8]。运动过程中直接供能物质ATP、CP等被消耗以后,肌组织通过能量代谢产生能量,此过程中消耗大量氧,从而造成运动时机体对氧的需求不断增加,使肌氧饱和度明显下降。研究表明[9],引起HbO2解离的因素有温度、CO2分压(PCO2)、pH值、2,3-二磷酸甘油酸(2,3-DPG)等,这些因素也是引起运动骨骼肌组织氧饱和度发生变化的主要因素[10]。

30秒运动结束即刻,肌氧的供应与消耗达到了一个新的平衡点,在这个平衡点处肌氧饱和度较低,说明流入肌组织的氧被利用较高,动静脉氧差明显高于安静状态。30秒运动结束后肌氧饱和度回升,表明运动停止后血液回流,Hb和O2合成加大,HbO2升高,Hb下降(见图2)。持续进行两组3次30秒的短时间高强度间歇训练,肌肉收缩对这一运动强度产生一定程度的适应,出现适应性氧耗量减少,所以在一定强度范围内工作的肌肉组织能够自动调节氧供需的平衡,使肌氧饱和度的变化保持在一定水平。

本研究表明肌氧饱和度的变化与肌肉内氧化代谢水平有密切关系,进一步提示氧供需对肌肉活动的影响[4,8,11]。有氧代谢能力越强的运动员,在其最大运动强度下的肌氧饱和度越低,也说明其肌肉对氧的利用率相对较高[11]。

3.2 训练前后心率、血乳酸、主观感觉疲劳程度变化及相关性分析

心率和血乳酸浓度是反映运动强度的常用指标,尤其是本实验进行短时间高强度间歇训练,心率则能直接反映出训练强度。由于全力蹬踏功率自行车,机体代谢加强,需氧量及耗氧量增加,这时心率加快加速了血液循环,为机体提供充足的HbO2,供肌组织解离出O2为机体代谢所利用。本实验血乳酸的变化是因为30秒短时间内蹬踏功率自行车时的能量消耗主要来自糖无氧酵解,由于两组多次30秒全力训练造成血乳酸堆积,所以训练后血乳酸明显高于训练前血乳酸水平。

主观感觉疲劳程度(RPE)主要反映了来自运动时骨骼肌、关节、心血管及中枢神经系统等方面的信息,通过相应感知体验的综合分析形成了初始的主观用力(疲劳)感觉[12]。本实验中多组的30秒训练造成受试者下肢股四头肌酸胀、血流量增加以及心率加快等刺激信号传至大脑皮层,经分析和感知体验形成了主观疲劳感觉。

运动过程中及恢复期血乳酸的变化是机体组织中乳酸生成、乳酸进入血液和血液中乳酸消失速率之间平衡的表现[13]。实验中训练开始阶段,能量供应来自于ATP-CP系统,但只能维持10秒以内,随着运动时间的延长,CP大量消耗,糖酵解过程开始被激活,肌糖原分解供能并产生乳酸,肌乳酸增多渗入血液,引起血乳酸大量堆积[14],造成肌氧饱和度和血乳酸的高度负相关(见表2)。

短时间高强度间歇训练开始后,由于神经系统激活水平上升,引起植物性神经活动变化,机体各组织器官充分被动员,VO2及心率都增加。当摄氧能力仍然满足不了运动氧耗量时,机体处于缺氧状态,此时运动所需能量主要依靠无氧代谢供给。人体在剧烈运动时摄氧量的增加,主要依赖于呼吸程度的加深、呼吸频率的加快、心率的加快以及每搏心输出量的增加[15]。本实验训练过程中,受试者的心率和最大摄氧量的同步上升正说明了这一点。实验中连续多组的30秒训练造成受试者下肢骨骼肌(主要为股四头肌)酸胀、需氧量的增加、血乳酸浓度的增加以及心率加快等诸多刺激传至大脑皮层,经分析和感知体验形成主观疲劳感觉,随着上述因素变化加剧,并伴随着肌氧饱和度的下降,主观疲劳感觉程度也逐步加深,呈现出高度负相关性(见表2)。

4 结论

(1)游泳运动员短时间高强度间歇训练时,肌组织中CHbO2和TOI呈正相关、CHb和TOI呈负相关的变化特征。通过对肌氧的无创实时监控,可以反映出训练效果,为无损伤监测肌肉组织的代谢状态提供了一种新的途径。

(2)在短时间高强度间歇训练过程中,血乳酸、心率、主观疲劳感觉之间具有极高度正相关性。所以在短时间高强度间歇训练时,可以根据心率和主观疲劳感觉等简便测试的指标来判断训练的效果和疲劳程度。

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(编辑 孙君志)

Characteristics of Changes in Muscle Oxygen Content and the Related Indexes During High Intensity Interval Training

CHEN Wan1,TIAN Shibin2,LIU Qian1,ZHANG Xiaohui1,HUANG Chao1,LIU Zhenyu3,LI Yue4

Purpose:The paper is to explore the characteristics and regular patterns of dynamic changes of muscle oxygen content during high intensity interval training in swimmers and to analyze the correlation of blood lactic acid (LA),heart rate(HR),ratings of perceived exertion(RPE)before and after the training.Methods:Swimmers(n=15)from Shandong province were selected randomly for moderate intensity-intermittent modetraining.Each subject was instructed to step on cycle ergometer with all his effort for 30s,then a rest for 120s, and this behavior was repeated 3 times(3 repetitions=1 session,all together 2 sessions,the resting time between both sessions was 180-240s).Muscle oxygen parameters of vastus lateralis in subjects were continuously monitored;RPE and HR were collected at the end of each 30s cycling;10μl blood sample from fingertip for LA testing was collected before and after the training.Results:(1)During each 30s cycling,the oxygenated haemoglobin content(CHbO2)and oxygen saturation in local tissue(TOI)of vastus lateralis both decreased sharply,while the reduced hemoglobin(CHb)increased quickly;(2)For both sessions,the levels of LA,HR and RPE post-training were higher than those pre-training respectively(p＜0.01);(3)There were high correlations between LA,HR and RPE before and after training respectively(p＜0.01).Conclusion:(1) Near Infrared Spectroscopy could be used continuously and noninvasively in real time to monitor the dynamic changes of TOI,CHbO2and CHb of working muscles,which reflected the training effect during training session;(2)For the individual high intensity interval training,LA,HR and RPE are effective indicators for monitoring the training session.

High Intensity Interval Training;Near Infrared Spectroscopy;Oxygen Saturation;Blood Lactic Acid

G804.23 Document code:A Article ID:1001-9154(2015)05-0106-05

10.15942/j.jcsu.2015.05.020

G804.23

A

1001-9154(2015)05-0106-05

国家体育总局科研项目(2012B049)。

陈万,博士,教授,研究方向:运动与健身的生物学效应研究,E-mail:chenwan@139.com。

1.山东体育学院,山东济南250102;2.山东省微山县实验中学,山东济宁277600;3.山东省体育科学研究中心,山东济南250102;4.清华大学医学院生物医学工程系,北京100084

1.Shandong Sport University,Jinan Shandong 250102;2. Weishan ExperimentalMiddle School, Jining Shandong 277600;3.Shandong Research Centre of Sport Science,Jinan Shandong 250102;4.Biomedical Engineering Department, Medical College of Tsinghua University,Beijing 100084

2015-01-01