便携式心电图仪在耐力马有氧代谢能力评价方面的应用※

于明琛　张健　张钰　蔺相　文立　任旸　刘定一　何有瑜　任　聪　张　勇　姚新奎　刘汝军



便携式心电图仪在耐力马有氧代谢能力评价方面的应用※

于明琛1张健1张钰1蔺相1文立1任旸1刘定一1何有瑜1任聪1张勇1姚新奎2刘汝军2

（1.天津体育学院，天津300381
2、新疆农业大学，新疆乌鲁木齐830091）

摘要：本研究希望基于心电图技术找到一种方便、安全、无损的评估马有氧代谢能力的方法。本研究以8匹蒙古耐力马为样本，根据其运动能力制定了一套递增负荷运动方案，并在运动前后及运动后十分钟使用乳酸测试仪监测马血乳酸，分析血乳酸的变化情况，作为评价其运动能力的标准。在运动前后，使用自主研发的三导联便携心电图仪对所有马进行心电图测量。通过对心电图波形的量化，每匹马我们可以得到7个有效心电图数据。数据结果表明，乳酸清除能力更强的马在运动前后的心电图指标变化，尤其是PR间期和运动前后的变化量QRS间期，可能会成为评价马有氧代谢能力的指标。

关键词：耐力马；有氧代谢能力；心电图；血乳酸

一、前言

耐力赛马作为一项娱乐性高，同时又对骑手和场地条件要求比较低的赛事，今已在中国广泛开展。耐力赛马持续时间长，运动强度相对较低，呈有氧供能运动特征，因此马的有氧代谢能力是影响比赛成绩的重要因素。对于马的有氧代谢能力，有三个主要的指标—最大摄氧量、乳酸阈和有氧能量输出［1］。马在长时间运动后，血液中会产生大量乳酸，而疲劳产生的主要原因是乳酸生成［2］，进而影响马的运动表现。血乳酸的消除速率可用作评定有氧代谢能力的一个重要指标，其与最大肌肉有氧代谢能力呈相关性［3］。通过测定个体的血乳酸消除速率，可以间接地判定其有氧代谢能力的高低。但测定马的血乳酸需要取马的血样，并且也无法在比赛中时时检测到血乳酸的变化，因此，如何能在不对马产生损伤的前提下监测耐力马有氧代谢能力是人们长期关注的问题。

有氧代谢能力是一个综合指标，主要受到两方面机制的影响，即中心机制（氧的运输）和外周机制（氧的利用）的影响［4，5］，中心机制中的心功能则起着关键作用。在人体实验中，自1899年的瑞典临床医学家Heschen提出“运动员心脏”这一概念以来，运动与心脏的研究一直是运动医学界讨论的重要领域，运动引起心脏结构、功能改变以及调节机制等方面的研究一直是众多学者研究的热点。长期的训练会使心脏结构、心脏细胞、心脏内分泌等发生重塑，对维持正常心功能有利［6］。大量研究证明，运动性心脏泵功能重塑在耐力运动中尤为明显［7］。心脏结构和功能发生重塑时会有例如心室腔扩大、室壁变厚、窦性心动过缓、房室传导阻滞等一系列变化，进而引起心电图的改变［8］。心电图的改变在一定程度上反映了心脏的结构和功能的变化。

马的心脏在有氧耐力运动的适应中，心电图会有哪些改变，改变的程度如何？我们查阅了相关文献，相关的研究较少。为此，本文通过监测耐力马运动前后的心电图，分析变化的原因，并结合血乳酸清除速率这一生化指标，以期为耐力马的科学化选材和比赛提供更好的监测手段。

二、材料和方法

（一）研究对象

本研究样本为北京西部巨人马场的8匹蒙古马，测试前我们对所有马匹进行了全面检查，如心率、心电图、步态等，以保证其身体健康，无各类疾病，能够承受实验中施加的运动负荷。所有马的外形在测量学和形态学上无显著差异，所有骑手的体重和骑马技术也无显著差异。

（二）运动方案

运动路线为200米的环形跑道，马匹每跑5圈后改变运动方向，以保证四肢具有相等的运动负荷。运动方案根据蒙古马的一般运动能力制定，分为五个阶段，运动强度递增，各阶段之间无间歇。第一阶段以5 km/h的速度奔跑10圈，第二阶段以8 km/h的速度奔跑12圈，第三阶段以12 km/h的速度奔跑15圈，第四阶段以15km/h的速度奔跑5圈，第五阶段以5km/h的速度奔跑5圈。工作人员位于场边记录圈数，所有骑手佩戴GPS设备监测运动速度。所有马匹都顺利完成了运动计划。

（三）心电图测试

心电图测试仪器为自主研发的三导联便携心电图仪，测量时，导联1位于马左侧第六肋间下三分之一处，导联2位于心脏右侧第六肋间延长线上的导联1的对称点上，以保证心脏位于导联1和导联2的导联轴的中点上，导联3为肢体导联，位于身体右侧导联1的对称点上。所得心电图与人类心电图近似。程序默认两分钟储存一个文件，每次检测5分钟，以保证形成两个完整数据文件。每匹马于运动前和运动后即刻进行两次测试。

（四）血乳酸测试

每匹马于运动前，运动后即刻和运动后10分钟用取血针自马颈静脉分别进行一次取血，采用便携式血乳酸测试仪（i-STAT300）对血液进行血乳酸测定。

（五）统计

个体间及组间血乳酸，心电图数据的差异由独立样本t检验检测。个体运动前后血乳酸和心电图数据的比较由配对t检验检测。所有统计分析都使用SPSS17.0完成。

三、结果

（一）血乳酸

如表1所示，我们发现所有马安静时血乳酸值大致相同，但运动后血乳酸的变化幅度却有很大差异。如图1所示，8匹马中，有4匹（Benz，Rose，Wind，Cookie）的血乳酸差值比显著高于另外4匹（Kexin，Black，Moon，Radish）（P＜0.01），我们将这四匹马定义为优秀组，将另外四匹马定义为普通组。

（二）心电图

如表3所示，与普通组相比，优秀组的运动后PR间期显著缩短（P＜0.05）。如表4所示，与普通组相比，优秀组的QRS间期在运动前后的变化量则显著增加（P＜0.05）。

如表5所示，在优秀组中，运动后相比运动前，所有间期值都发生显著性变化。其中QRS间期显著增加（P＜0.05），而PR、QT、PT、ST间期都显著缩短（P＜0.05）。

表1.血乳酸指标

表2　安静状态优秀组与普通组各有效心电图指标及组间比较

表3　运动后优秀组与普通组各有效心电图指标及组间比较

表4　运动前后优秀组与普通组各有效心电图指标变化量及组间比较

表5　优秀组和普通组中各有效心电图指标及组内比较

图1.普通组与优秀组的乳酸差值比及其差异

图2.普通组和优秀组的PR间期值及其差异

图3.普通组和优秀组的QRS间期在运动前后变化量的及其差异

图4.优秀组在安静时与运动后PR、QRS、PT、QT、ST间期值及其差异

四、讨论

（一）乳酸消除能力与有氧运动能力

从表1中我们可以发现所有马在安静时血乳酸值并无太大差异，但运动后血乳酸的变化幅度却有很大差异。有的观点认为，运动后血乳酸显著上升的马，其有氧运动能力较差，因为在运动中有氧供能系统提供的能量无法满足运动的需求，会大量调动无氧供能途径作为补充，使血乳酸升高。此外，有的观点认为，运动后血乳酸下降较快的马，因为其有更强的乳酸消除及再利用能力，血乳酸清除速率是评价机体氧化代谢能力和疲劳消除能力的重要指标［9］。如表1所示，运动后十分钟血乳酸的消除量受运动后即刻乳酸上升量的影响，即血乳酸产生的多，消除的也多，血乳酸产生的少，消除的也少。例如普通组中的Kexin和Black，虽然其血乳酸上升幅度显著小于其他马（P＜0.01），但运动后十分钟血乳酸的消除量也显著低于其他马（P＜0.01），而优秀组中的Rose虽然运动后血乳酸上升幅度较大，但十分钟后几乎完全消除。在这种情况下，我们无法仅仅用血乳酸上升或消除的量去评价马的有氧代谢能力。因此，我们使用血乳酸差值比，即（运动后即刻血乳酸值-运动后十分钟血乳酸值）/（运动后即刻血乳酸值-安静血乳酸值），以评价机体的有氧代谢能力。

（二）有氧运动能力与心电图

1、PR间期与有氧代谢能力

当兴奋由心房传导至房室结后，由于房室结传导速度缓慢，形成了心电图上的PR段，也称PR间期，即兴奋从心房除极到心室除极之间所需的时间。当心房到心室的传导出现阻滞时，则表现为PR间期的延长或P波之后心室波消失［10］。与普通组相比，优秀组的运动前PR间期无显著差异，但是在运动后PR间期却显著缩短（P＜0.05）。并且优秀组的运动后的PR间期相比于运动前显著缩短（P＜0.05），虽然在普通组中PR间期也有缩短，但没有统计学上的差异。优秀组的PR间期的缩短有可能是由于交感神经系统的兴奋，使房室结传导时间缩短［11］，心率加快［12］。在运动时，交感神经系统兴奋，副交感神经系统则受到抑制，使心率加快，心肌收缩力量加强，增强心输出量［13］，最终增强马的有氧供能能力。因此，PR间期的缩短可能代表交感神经系统兴奋的程度，在一定范围内，PR间期越短，交感神经系统越兴奋，心输出量越多，有氧代谢能力越强。

2、QRS波群与有氧供能能力

QRS波群代表了心室的除极。当出现心脏左右束枝的传导阻滞、心室扩大或肥厚等情况时，QRS波群出现增宽、变形和时限延长［5］。与普通组相比，优秀组的QRS间期在运动前后的变化量则显著增加（P＜0.05）。并且在优秀组中，运动后相比运动前，QRS间期显著增加（P＜0.05）。优秀组的QRS间期的增加则有可能是由于心室扩大造成的或是心室肥厚造成的。在临床上，心肌肥厚（高血压性或非高血压性）、心肌缺血、心功能不全和心脏重构患者心肌功能受损、传导能力下降，QRS波时限往往会延长［14］，这是一种病理性的心脏肥大。但是，对于受长期运动训练影响的心脏，也会导致心脏的体积增大和室壁增厚，运动员心脏的肥大属于生理性心脏肥大，通常被称为“运动员心脏”［15］。运动性心脏肥大是运动员心脏主要形态改变，可发生在左、右心室或/和心房，而耐力性训练如长跑、游泳，则以心室腔及右心房扩大为主，室壁增厚不明显［16］。其肥大程度在一定范围内与运动强度和运动持续时间呈正相关［17］。在运动时，运动性心脏肥大的心力储备充分动员，心率增快，每博输出量增加，心输出量增加。因此，QRS间期的增加有可能代表着“运动员心脏”的程度，在一定范围内，QRS间期越长，其心脏的室腔越大，每博输出量越大，心输出量越多，有氧代谢能力越强。

3、QT、PT、ST间期与有氧供能能力

在优秀组中，运动后即刻相比运动前，QT、PT、ST间期都显著缩短。QT间期是心室除极和复极的总时间，PT间期是心房除极到心室复极的时间，ST间期是心室除极结束到复极的时间。就我们所查询到的文献显示，鲜有研究去阐明着三个间期变化所代表的生理意义。所以我们只能推测，在运动时，交感神经兴奋，兴奋传递速度加快，各个间期之间缩短，使心率加快，增加心输出量，增强有氧代谢能力。

五、结论与展望

本研究希望找到能够鉴定优秀耐力赛马的有效心电指标。通过乳酸消除速率的比较，将八匹蒙古马分为优秀组和普通组。分析优秀组和普通组在运动前后心电图波形间期变化程度，我们发现，PR、QRS、QT、PT、ST波形宽度及间期有显著性变化，尤其是PR间期缩短和QRS间期变化量增长的程度，有可能会成为评价耐力马有氧代谢能力的指标。

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责任编校：夏云建

中图分类号：G882.1；S821

文献标识码：A

文章编号：2095-7955（2016）01-0016-05

基金项目：※科技部科技支撑项目（项目编号：2012BAD44B01，3，4）。

收稿日期：2015-11-26

作者简介：文立（1969-），天津体育学院教授，科研处副处长。主要研究方向：运动人体科学。

Application of Portable ECG Device in Evaluating Aerobic Capacity of Endurance Horses

YU Ming-chen1ZHANG Jian1ZHANG Yu1LIN Xiang1WEN Li1REN Yang1LIU Ding-yi1HE You-yu1REN Cong ZHANG Yong1YAO Xin-kui2LIU Ru-jun2
（1.Tianjin Institute of Physical Education，Tianjin，300381，China；2.Xinjiang Agricultural University，Urumqi，Xinjiang，830091，China）

Abstract：This studyaimed tofind a convenient，safe and noninvasive evaluation method of the aerobic capacity of endurance horses with the ECG（electrocardiogram）technology.Eight Mongolia endurance horses were studied as samples in an exercise program with load increment according to their exercise capacities.Blood lactate of each horse was monitored and obtained with lactate testers at three time points：before，immediately after，and ten minutes after the exercises.The changes of the lactate amount in the blood functioned as indicators of those horses'athletic ability. Throughout the exercises，a self-developed three-lead portable ECG device is used to measure the ECG of all the horses.Through the quantification of the ECG waveform，seven effective ECG indexes were obtained for each horse. The indexes indicated that before and after exercises，especially at the PR interval，the ECG index variations of the horses with stronger lactate clearance ability，and the variation at the QSR interval，can be used as the indicators to identifythe aerobic capacityofhorses.

Key Words：endurance racinghorse；aerobic capacity；ECG；blood lactate