应用近红外光谱技术测量肌氧水平的最新进展

袁超群

摘 要：人们对肌氧的测量有着越来越大的兴趣，近红外光谱技术（Near-infrared spectroscopy，NIRS）可以无创、连续、实时地测量局部骨骼肌氧水平的变化。NIRS因其无创、实时、连续的特点也越来越受到关注，本文从NIRS用于肌肉耐力评价、训练监控、疲劳评估及其技术革新等方面进行综述。NIRS对局部肌氧变化的测量具有良好的可重复性，其结果与其他测量方法具有一致性，可准确评估局部骨骼肌氧代谢情况。

关键词：近红外光谱技术 肌氧 运动评价

中图分类号：O433 文献标识码：A 文章编号：2095-2813（2018）07（b）-0011-02

人们对肌氧水平的监测有越来越大的兴趣。随着无创技术的发展，近红外光谱技术（Near-infrared spectroscopy，NIRS）使得直接测量局部骨骼肌氧合血红蛋白（HbO2）和氧合肌红蛋白（MbO2）的变化成为可能。目前，NIRS已被广泛用于测量运动时运动肌血容量和肌氧含量的改变，客观估测运动肌的有氧代谢状况。而且，采用NIRS进行肌氧水平的监测具有良好的可重复性[1]。

1 NIRS肌氧测定原理

700～1000nm的近红外光可以穿透皮膚、皮下脂肪及深层的肌肉。在穿透组织时，近红外光可被氧依赖的生色基团（如HbO2、MbO2以及线粒体有氧酶等）吸收，且这种吸收作用在运动和缺氧时是变化的。局部小血管（如毛细血管、动静脉血管）是NIRS 测试的肌氧变化的主要来源，这些小血管的变化与肌肉血流量、局部组织氧摄取及静脉回流有关。NIRS检测的肌氧水平反映的是氧供与氧耗平衡关系的变化，它只是一种变化趋势而不是氧含量值的量化。

2 NIRS在肌氧测量中的应用

2.1 肌肉耐力评估

肌肉耐力是指肌肉持续性维持一定强度的静力性收缩或做多次一定强度的动力性收缩的能力。根据运动是身体活动的部位以及参与的肌肉数量，可将肌肉耐力分为局部耐力和全身耐力。其中局部肌肉耐力与血红蛋白含量、线粒体的数量及氧化酶活性、骨骼肌毛细血管密度等因素密切相关。

由于在氧化磷酸化能量供应中的生物能量作用，线粒体在细胞功能中扮演着重要角色。运动训练对线粒体氧化能力的影响已经众所周知，缺乏体力活动、衰老以及一些病理条件与线粒体功能降低有关。有研究指出[2]，前臂屈肌群耐力训练前后，采用NIRS测量每3～7天肌肉耗氧恢复率可以反应线粒体功能；而且，结果显示运动训练四周后，线粒体功能呈线性增加，但停训后呈指数下降，平均半衰期为7.7天。此外，耐力运动员运动后肌肉耗氧恢复率比用NIRS测量的非活动者快两倍。这些测量结果与线粒体测量的金标准（肌肉活检）、磁共振波谱研究相一致[3]，同时具有良好的可重复性。这说明，作为一种无创检测技术，NIRS可以检测线粒体功能的改变以反应肌肉耐力的变化。

2.2 训练监控

由于无创、实时、在体、连续的特点，NIRS检测肌氧技术被应用到运动训练中。张腾等[4]利用NIRS与心肺功能仪对游泳运动员递增负荷运动进行监测，中、分析骨骼肌内氧合血红蛋白（HbO2）、摄氧量（VO2）、二氧化碳呼出量（VCO2）和血乳酸（LA）之间的关系，并分析最大摄氧量（VO2max）、相对VO2max、乳酸阈（LT）、通气阈（VT）与运动成绩之间的关系。结果显示，运动员HbO2含量与VO2和LA均呈现高度相关； 运动员的VO2max、VT、LT值与运动成绩的显著相关。除了在传统训练中的应用，NIRS也可用于高原训练的监控。秦阿妮[5]利用NIRS监测高住高练低训训练前后，运动员在相同条件下完成同等负荷运动的肌氧变化，发现训练后，运动员在运动过程中肌氧下降的幅度明显减小，且血乳酸与肌氧及脉搏血氧饱和度均呈高度负相关。以上这些高度相关性说明NIRS能正确反映运动员身体代谢状态，对监测运动员训练效果具有重要意义。此外，极量强度运动对心脏具有一定冲击，这种对心脏的冲击影响发生在极量强度运动停止瞬间之后的一定时间内。NIRS结合心率采集系统可以正确检测极量强度运动时的血氧参数和心率， 揭示极量强度运动过程中肌肉氧运输与消耗的过程及其与心率之间的动力学特征，做好预测[6]。

2.3 其他方面的应用

年龄是慢性病的最大危险因素，与功能和生活质量显著下降有关。导致老年人功能丧失的一个关键因素是骨骼肌功能的下降。虽然机制仍然不明确，但与年龄相关的线粒体功能障碍在其中发挥了重要作用。Chung等[7]研究了15名独立生活的老年人和17名青年志愿者前臂肌肉氧化功能与肌肉氧耗恢复动力学的关系，发现衰老与运动后氧化恢复时间的显著延长有关。这一发现表明，在非运动骨骼肌中，线粒体功能随着年龄的增长而总体降低。利用NIRS获得的这些数据对于老年人骨骼肌氧化功能在临床上的定量评估具有很大的价值。

骨科和康复医师经常指导患者抬高创伤或术后下肢。众所周知，抬高伤肢可以有效减少肿胀、伤口并发症以及间隔综合征的风险。然而肢体抬高，腔室压力增加，组织灌注压却降低且易引起组织缺血。为了确定肢体抬高对肌肉氧饱和度的影响，Palanca等[8]测量了26名健康成年人在正常（对照组）和模拟创伤状态（实验组）下，下肢相对于心脏抬高0cm、15cm、30cm的小腿胫前间隔区肌肉氧饱和度；经研究发现，肌肉氧饱和度会随着肢体的抬高而成渐进性下降的趋势（每抬高1cm肌肉的局部氧饱和度就下降0.12%）。

3 NIRS技术革新

3.1 连续波近红外光谱仪

人们对肌氧的测量有着越来越大的兴趣，NIRS因其无创、实时、连续的特点也越来越受到关注，但是大多数近红外光谱系统是既笨重又昂贵的光纤耦合设备，使其不能充分应用于真实的运动过程。目前，一种新型的、低成本的、无线可穿戴式NIRS已经研发成功。Farzam等[9]将这种新型的连续波近红外光谱仪（CWNIRS）与传统台式频域近红外光谱仪（FDNIRS）进行了对比，在递增负荷运动中监测肌氧并与血乳酸进行对比分析。CWNIRS凭借其配备的专有软件，能够在循环测试一个功率增量的一半内预测运动员的乳酸阈功率。

3.2 水下NIRS测量

由于游泳运动的特殊性，关于游泳运动员的肌氧监测大多局限于在功率自行车上做递增负荷运动，缺少对游泳运动水下实时监测。而便携式、防水NIRS装置的研制使其成为可能，也为游泳锻炼过程中发生的生理变化提供新的认识。已有学者采用这种水下NIRS监测手段进行研究，比如：观察游泳运动员与铁人三项运动员在完成200m自由泳过程中股外侧肌和背阔肌肌氧的变化。该研究发现游泳运动员的速度明显快于铁人三项运动员，且在200m自由泳过程中游泳运动员使用背阔肌与股外侧肌的程度相似，而铁人三项运动员则主要使用上肢进行推进[10]。因此水下NIRS测量可以更深入地了解游泳技术在不同的游泳运动员之间的差异，也可以更好地为其他水下运动服务。

4 结语

NIRS是一种无创、连续、实时测量肌肉氧代谢状态的技术，为研究限制运动能力的病理生理机制以及运动干预对机体影响机制提供了方法。NIRS肌氧测量可以用于肌肉耐力的评价、疲劳的评估、运动训练的监控等方面，以及在许多疾病、与年龄相关的运动能力下降中也是有價值的。随着人口老龄化的严峻形式，NIRS在老年医学中的应用值得更深入的研究。此外，穿戴式NIRS和水下NIRS测量也为运动康复治疗提供了新的评价方法。

参考文献

[1] Adami A，Cao R，Porszasz J，et al. Reproducibility of NIRS assessment of muscle oxidative capacity in smokers with and without COPD[J].Respir atory Physiology& Neurobiology，2016（235）：18-26.

[2] Ryan TE，Southern WM，Brizendine JT，et al. Activity-induced changes in skeletal muscle metabolism measured with optical spectroscopy[J].Medicine & Science in Sports & Exercise，2013，45（12）：2346-2352.

[3] Ryan TE， Brophy P， Lin CT，et al. Assessment of in vivo skeletal muscle mitochondrial respiratory capacity in humans by near-infrared spectroscopy：a comparison with in situ measurements[J].Journal of Physiolo-gy，2014，592（15）：3231-3241.

[4] 张腾，徐国栋，王超英.近红外光谱技术在赛前蹼泳训练中的应用与评价[J].新乡医学院学报，2011，28（3）：272-275.

[5] 秦阿妮.高住高练低训对骨骼肌氧利用能力的影响[D].北京体育大学，2007.

[6] 王培勇，龙非筱，傅兰英.用近红外无损肌氧及运动心率检测技术评定100m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] Chung S， Rosenberry R， Ryan TE，et al.Near-infrared spectroscopy detects age-related differences in skeletal muscle oxidative function： promising implications for geroscience[J]. Physiological Reports，2018，6（3）：13588.

[8] Palanca AA， Yang A， Bishop JA.The Effects of Limb Elevation on Muscle Oxygen Saturation： A Near-Infrared Spectroscopy Study in Humans[J].PM R.2016，8（3）：221-224.

[9] Farzam P， Starkweather Z， Franceschini MA.Validation of a novel wearable， wireless technology to estimate oxygen levels and lactate threshold power in the exercising muscle[J].Physiological Reports，2018，6（7）：13664.

[10] Jones B， Cooper CE.Underwater Near-Infrared Spectroscopy： Muscle Oxygen Changes in the Upper and Lower Extremities in Club Level Swimmers and Triathletes[J]. Adv Exp Med Biol，2016（876）：35-40.