高强间歇运动恢复期肌氧饱和度与心率、血乳酸变化关系的研究

毕学翠，詹建国

运动训练中，心率(Heart Rate，HR)与血乳酸(Blood Lactate，BLA)两项指标作为评价运动员承受运动负荷大小及是否恢复的常用指标，在运动训练科学研究与实践中广泛使用。训练实践中通常以运动员HR和BLA恢复到一定程度作为安排下一次训练的依据的做法被广泛接受。但是，HR、BLA恢复到一定程度如安静时水平就能准确表示有机体各系统都得到恢复吗?值得商榷。

近年来，近红外光谱技术的发展，使人们及时监测运动过程中人体骨骼肌的氧代谢状况成为可能。近红外光谱监测技术(Near-infrared Spectroscopy，NIRS)是利用骨骼肌组织内氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)吸收光谱波长不同的特点[1]，动态监测骨骼肌组织中血红蛋白的光学参数的变化，进而了解骨骼肌组织内氧气供应和消耗的动态平衡。目前，NIRS被认为是运动生物医学监控中极具发展潜力的检测手段[2]。在运动生理学领域已被广泛运用于评价肌肉氧化代谢功能[2]。运动训练领域相关研究业已证明，NIRS可以监测运动过程中肌肉组织有氧、无氧代谢的状态[3]。肌氧饱和度(Muscle Oxygen Saturation，SMO2)因而成为继HR、BLA之后，监控运动负荷大小及恢复程度的又一重要指标。相关研究表明，运动过程中不同运动负荷刺激下SMO2与BLA、HR等指标均有十分密切的关系[4-6]，但是学界对于高强间歇运动后恢复期SMO2与HR、BLA变化关系的研究却少有涉及。

本文拟通过分析高强间歇运动后恢复期SMO2与HR、BLA的变化关系，探求高强间歇运动后恢复期SMO2与HR、BLA变化的内在联系，为更好的应用SMO2这一指标监控和评价高强间歇运动后人体恢复情况提供参考。

1 研究方法

1.1 受试者

选取某体育学院运动训练专业50名男学生(二级运动员)作为受试者，实验前明确告知测试流程和测试要求，经受试者同意后签署知情同意书。自愿参加本测试，保证严格按照测试要求完成本项实验。

表1 受试者基本情况统计Table 1 Basic information of the subjects

1.2 实验设计

1.2.1 实验设备 SRM Ergometer(德国)系统，Moxy肌氧监测仪(美国)，Lacate-Scout便携式乳酸盐分析仪(德国)，Polar800cx心率表(芬兰)等。

1.2.2 实验流程

测试人员测试前熟悉测试程序。受试者测试前24小时避免大强度运动，餐后2小时测试。测量受试者身高、体重、年龄等基本信息。测试方案采用场地自行车运动员训练实践中经常采用的高强间歇训练方案[7]，即受试者进行15～20 min骑行运动热身，热身结束10 min后，受试者进行第一次全力骑行30 s，结束后慢骑积极休息10 min，然后进行第二次全力骑行30 s，结束后慢骑积极休息10 min，之后进行第三次全力骑行30 s，3次全力骑行全部结束后受试者均保持坐立式体位，休息20 min。

1.2.3 测试指标

(1)BLA。采集耳血，分别记录受试者安静时，测试前，运动后即刻，运动后恢复第1 min、3 min、5 min、7 min、9 min、15 min 和20 min 的 BLA。

(2)HR。受试者佩戴心率表后，开始全程采集受试者安静、运动开始到运动后恢复20 min的HR变化数据。

(3)SMO2。测试仪器为美国产Moxy肌氧监测仪重42 g，尺寸为61×44×21 mm，4个发光二极管发射波长为630～850 nm光波进入肌组织，肌组织反射的近红外光由位于距离光源12.5 mm和25 mm的两个光学检测器收集。HbO2与Hb吸收和反射近红外光的方式不同，通过组织光传播模型和比尔—朗伯(Beer-Lambert)定律计算肌组织内Hb的总量和SMO2的变化[8]。 在佩戴仪器前酒精擦拭测试部位，防止皮肤杂质等对信号的干扰。仪器放置在骑行膝关节主要伸肌群——左右腿的股外侧肌中间部位[1]。监测仪器放置好后用黑色运动胶带固定，防止外界近红外光干扰，运动胶带松紧适度防止过紧局部缺血。Moxy肌肉氧气监测仪从安静开始全程采集受试者股外侧肌运动与恢复的SMO2的变化。

(4)HR恢复率[9]。根据HR在运动后恢复的特点，HR恢复率计算公式如下，心率恢复率越高，代表心率恢复速度越快。

(5)BLA清除率[9]。根据BLA在运动后恢复特点，BLA清除率计算公式如下，BLA清除率越高，乳酸能力清除强，BLA恢复越快。

(6)SMO2恢复率。根据SMO2在运动后恢复的特点，SMO2的恢复率计算方法为恢复SMO2数值与SMO2安静数值(运动前30 s SMO2的平均值)的百分比，恢复率越高SMO2恢复就越快。

1.3 统计方法

选取3次30 s高强间歇运动后即刻至20 min内恢复期的SMO2、HR及BLA数据进行分析。实验数据采用SPSS 21.0软件处理。测试结果均用平均数±标准差(±s)表示，使用Shapiro-Wilk法检验数据的正态性。为避免准确度下降，不同时相SMO2、HR和BLA的差异性检验采用重复测量的方差分析，P＜0.05为差异具有显著性。在恢复过程中SMO2与HR、和BLA的相关性采用Pearson相关分析，P＜0.05为具有相关性。

2 研究结果

2.1 高强间歇运动后恢复期SMO2、HR及BLA变化的时相性特征

图1 运动和恢复全程SMO2和HR变化Figure 1 Diversification of SMO2and HR during exercise and recovery

图1是在高强间歇运动时和恢复期内双腿SMO2和HR值的变化曲线，用SMO2的相对变化量表示(△SMO2%)，即：△SMO2%=第 N秒 SMO2值—SMO2基础值(运动前30 s SMO2平均值)[10]；HR指标则用HR的相对值表示(△HR)，即：△HR(beats/min)=HR基础值(运动前30 s HR的平均值)—第N秒HR值。由图1和图2可以看出高强间歇运动后恢复期左腿股外侧肌与右腿股外侧肌SMO2存在高度相关(r=0.999，P＜0.01)，两腿SMO2在运动后20 min内变化趋势基本一致。运动后即刻两腿SMO2数值最低，运动后1 min SMO2数值与即刻数值存在显著性差异(P＜0.05)，运动后3 min SMO2与1 min数值存在显著性差异(P＜0.05)，运动后5 min SMO2与3 min数值同样存在显著性差异(P＜0.05)。5 min后随着恢复时间的延长 SMO2在 7 min、9 min、15 min 和 20 min 数值与上一时相测试结果差异不显著(P＞0.05)，表明SMO2恢复已经进入平稳状态(表2)。

图2 恢复1 min内SMO2与HR恢复变化Figure 2 Diversification of SMO2and HR within 1 min recovery

表2 高强间歇运动后恢复期不同时间SMO2，HR和BLA的数值Table 2 SMO2，HR and BLA at different time in recovery period after high-intensity interval exercise

本研究结果显示，高强间歇运动后恢复期SMO2的变化特征是：在运动后1 min，左右腿SMO2快速恢复到运动前安静水平，恢复率高达100.14%和100.15%，1 min后至20 min SMO2恢复率变化较小，一直高于运动前安静水平，处于“超量恢复”阶段(表3)。

表3 高强间歇运动后恢复期SMO2，HR和BLA的恢复率Table 3 Recovery rate of SMO2，HR and BLA at different time in recovery period after high-intensity interval exercise

高强间歇运动后恢复期20 min内HR随着恢复时间的延长逐渐下降(图1和图3)，心率在不同时相，恢复速度不同。恢复期1 min时的HR与运动后即刻HR存在显著性差异(P＜0.05)，3 min时HR与1 min时HR存在显著性差异(P＜0.05)，5 min时HR与3 min时HR存在显著性差异(P＜0.05)，7 min时HR与5 min时HR存在显著性差异(P＜0.05)，9 min时HR与7 min时HR差异不显著(P＞0.05)，15 min时HR与9 min时HR差异不显著(P＞0.05)，20 min时HR与15 min时HR差异不显著(P＞0.05)(表2)。

图3 运动后不同时点HR、SMO2和BLA恢复变化Figure 3 HR，SMO2and BLA Recovery at different time points after exercise

本研究结果显示，高强间歇运动后恢复期HR的变化特征是：运动后HR恢复率呈现先快后慢的变化趋势。运动后即刻至3 min HR呈快速恢复，运动后1min内恢复速率相对最大为40%，3 min时HR已恢复至运动前安静HR的50%。随后HR恢复速率变慢，3 min至15 min时HR恢复速率逐渐变慢，15 min至20 min时HR恢复速率进一步变慢，5 min内 HR恢复率仅从 76.21%恢复到77.26%(表3)。

运动结束后的BLA恢复情况与HR和SMO2恢复变化趋势不同，BLA在运动结束以后快速升高，在运动后3 min时BLA浓度值达到最大，然后随着恢复时间的延长，BLA开始消除，BLA数值下降(图3)。恢复期1 min与运动后即刻的BLA存在显著性差异(P＜0.05)，其他各时相BLA与前一时相BLA值无显著性差异(P＞0.05)(表2)。

BLA清除率代表运动后BLA的变化速度，本研究结果显示，高强间歇运动后恢复期BLA的变化特征是：在运动后即刻至1 min，BLA快速积累，恢复率为-39.06%，随后3 min BLA累积速度减慢，恢复率为-6.24%。在运动后3 min BLA开始进入清除状态，随着时间的延长清除率逐渐增大，至20 min时BLA的清除率达到13.19%(表3)。

2.2 高强间歇运动后恢复期SMO2与HR变化的关系

SMO2和HR在本实验中是同步采集的连续数据，为了更直观的反应SMO2和HR的恢复状况，将图1每秒SMO2和HR换算成绝对值。纵观整个运动和恢复过程，当运动开始HR快速上升，SMO2同步呈现快速下降趋势，在运动过程中左右腿SMO2和HR 有高度的相关关系(r左腿=-0.908，r右腿=-0.925，P＜0.01)；运动结束后SMO2和HR也呈现快速恢复的趋势，运动后20 min内左右腿SMO2和HR 恢复存在中度相关(r左腿=-0.545，r右腿=-0.542，P＜0.01)。

从恢复时相上分析，运动结束后1 min内左右腿 SMO2恢复和 HR恢复呈高度相关(r左腿=-0.928，r右腿=-0.925，P＜0.01)(图 2)。 随着恢复时间的延长SMO2与HR恢复的相关程度逐渐下降，15 min后两者变化不相关(表4)。

2.3 高强间歇运动后恢复期SMO2与BLA变化的关系

本实验BLA指标与SMO2和HR指标采集的方式不同，BLA只能在固定时间点采集，所以呈现的是非连续性数据。在运动后恢复期SMO2快速上升，BLA也上升并在3 min左右达到峰值，1 min后SMO2维持在“超量恢复”水平，3 min后BLA缓慢下降。在20 min恢复期内BLA恢复值与左右腿SMO2恢复值总体不相关(P＞0.05)(图1)。

表4 高强间歇运动后恢复期左右腿SMO2与HR变化的关系Table 4 Relationship between SMO2 and HR changes in recovery period after high-intensity interval exercise

3 讨论与分析

SMO2的变化曲线是骨骼肌局部氧含量恢复程度和氧化代谢水平的动态反应[11]。高强间歇运动开始，大量快肌纤维募集，快速动用肌组织内的糖原合成ATP，由于肌糖原的储备有限，运动开始后很快耗竭，此时能量供应需要大量O2[12]。 肌组织内HbO2解离生成Hb与O2参与肌细胞的物质能量代谢[13-15]，HbO2含量减少，SMO2曲线快速下降。 运动后肌肉活动虽然停止，但机体仍处于高代谢水平，循环系统的适应性变化仍保持高血流供应，肌肉组织中血管处于扩张状态，大量血液供应到运动肌肉，组织微血管中的Hb与O2进一步结合，同时，局部组织微血管中O2的供应超过肌细胞的利用能力，微静脉中HbO2浓度逐渐上升，甚至超过安静时的水平，因此，出现所谓的“超量恢复”现象[16-20]。结果显示，高强间歇运动后恢复期SMO2在短时间内呈现急剧反弹上升的特征。在35 s左右的时间SMO2的数值就快速上升到运动前安静时的水平，随后SMO2的恢复超过运动前安静时水平，出现“超量恢复”现象。与此前相关研究结果不同的是本研究结果显示SMO2在恢复期20 min内仍处于“超量恢复”阶段，而此前相关研究的SMO2“超量恢复”只持续大约60 s至90 s的时间[1，21-22]。由于运动后SMO2恢复主要受运动强度[23]、训练模式[24]和机体运输氧气和利用氧能力的影响，因此，研究结果的差异可能与本实验设计的运动强度和间歇休息方式不同有关，具体原因有待进一步研究。

训练实践中HR是监控运动负荷的常用指标。运动后HR恢复速度和程度可以衡量运动员对运动负荷的适应水平或身体机能状况[25]。定量负荷后，运动员HR恢复加快，提示运动员对训练负荷适应或机能状况良好[26]。相关研究表明，运动后HR恢复一般分为三个阶段，分别是快速恢复期、缓慢恢复期和稳态期[27-28]，结果显示在高强间歇运动后HR恢复同样呈现先快后慢的变化趋势。运动后即刻至3 min HR呈快速恢复，运动后1 min内恢复速率相对最大为40%，3 min时HR已恢复至运动前安静HR的50%。随后HR恢复速率变慢，3 min至15 min时HR恢复速率逐渐变慢，15 min至20 min时HR恢复速率进一步变慢，5 min内HR恢复率仅从76.21%到77.26%。相关研究发现SMO2与HR在运动过程中会随着运动强度和运动时间的变化，呈现出中度负相关关系，SMO2可以和HR指标一样作为运动负荷监控的有效指标[29]。结果显示，高强间歇运动后SMO2与HR的相关程度会随着恢复时间的延长而变化。在恢复初期，特别是在1 min内，HR与SMO2同时快速恢复，两者变化的相关程度最高。3 min至15 min HR恢复速度减缓，SMO2进入超量恢复阶段，两者变化的相关程度逐渐降低，15 min后两者变化不相关。两者这种相关程度的变化特征可能与控制HR和SMO2恢复的机制不同有关[30]。HR恢复受心脏交感神经和副交感神经相互影响[31-32]。也有研究认为，运动后HR恢复主要是副交感神经再激活的结果[33-34]。运动停止后迷走神经再激活调节HR恢复到运动前水平需要一段时程[35]。在大负荷运动刚结束时副交感神经活动占优势，降低神经冲动的激发和传导速度，HR快速下降[36]。在缓慢恢复期副交感神经活动开始降低，同时交感神经活动逐渐恢复，HR的恢复速度开始减慢，在第三阶段副交感神经张力和交感神经的张力处于相对平衡状态[37-39]。SMO2含量变化主要反映的是局部肌肉氧利用的情况，HR的变化主要反映的是有机体整体氧运输的情况[40]。SMO2与HR的变化关系可以理解为局部肌肉氧的需求与有机体整体氧供应之间的关系，它们之间相互影响、相互促进。

BLA也是训练实践中常用监控指标之一，通过BLA的变化可以了解机体乳酸生成和代谢变化特点，是评定训练强度和代谢机能的有效依据[36]，研究认为运动后BLA浓度越高说明训练后运动员恢复状态不佳或者机体氧化代谢能力较差[41]。BLA和SMO2的相关研究发现：O2供应是乳酸产生的关键因素[42]。乳酸产生取决于运动时的O2供应，并由于O2供应不足而增加[43]。在恒定负荷和递增负荷运动的情况下，BLA浓度与SMO2呈负相关关系[44]。SMO2的“拐点”与“乳酸拐点”相一致，利用SMO2的变化可以确定最大稳态运动强度[45]。在高强度运动时，BLA浓度快速增加是促进HbO2解离的主要原因[46]。运动后SMO2迅速恢复，为肌组织偿还氧债提供足够O2，同时促进BLA的氧化利用和代谢废物的清除，为机体的能量恢复、氧化代谢和疲劳消除提供重要保障。但是，也有研究持不同观点，认为肌乳酸的外流和BLA的清除与细胞内氧气无关[47]。本研究结果显示，高强间歇运动后恢复期BLA与SMO2恢复的时相性特征存在较大差异。BLA在运动结束后继续累积，经过3～5 min达到峰值，然后进入乳酸清除阶段，致使在不同恢复时相上BLA与SMO2数据没有统计学相关关系，原因可能与恢复期BLA所特有的“延迟反应”有关。BLA的延迟反应主要是肌乳酸的扩散引起的，运动时肌肉中大量生成肌乳酸，BLA浓度的升高主要来自肌乳酸的扩散。由于肌细胞膜有阻止乳酸转运的作用，肌乳酸和BLA平衡需要一定时间，平衡时间的长短与运动强度和运动持续时间高度相关[48]，运动强度越大，BLA值越高，BLA到达峰值的时间就越晚，大约持续5～12min[9]。因此运动时和运动后的BLA变化，是骨骼肌等组织中乳酸生成速率、肌乳酸进入血液的速率和血液中乳酸消失速率间平衡的表现[49]，BLA通过各种途径进行清除的时间较长[50]。结果显示，高强间歇运动后恢复期内呈现出SMO2快速上升1 min后出现“超量恢复”并维持到20 min，BLA也上升并在3 min左右达到峰值，随后BLA缓慢下降，这是BLA典型的“延迟反应”在本研究中的具体表现。也因而造成了统计学上在高强间歇运动后恢复期(20 min)内，BLA清除和SMO2恢复率总体关系不密切。但是，显示，正是由于运动后恢复期1 min之后SMO2维持在“超量恢复”水平，才促进了BLA的逐渐下降，说明 SMO2的快速恢复能够有效促进BLA的清除。

SMO2含量变化主要反映的是局部肌肉氧利用的情况[40]，因而，运动中和运动后SMO2含量的变化可以反映局部肌肉氧利用的能力。定量运动中SMO2含量下降小，运动后SMO2含量恢复快，说明局部肌肉氧利用能力好。HR的变化主要反映的是有机体整体氧运输的情况[40]。定量运动中心率上升幅度小，运动后恢复速率快，说明有机体氧运输能力强。SMO2与HR的变化关系可以理解为局部肌肉氧的需求与有机体整体氧供应之间的关系。BLA是运动中无氧糖酵解供能的代谢产物，BLA消除的基本途径有三条，一是在骨骼肌、心肌等组织内氧化成二氧化碳和水；二是在肝和骨骼肌内重新合成葡萄糖和糖原；三是在肝内合成脂肪、丙氨酸等。BLA消除的快慢主要取决于机体整体有氧代谢能力，既取决于局部肌肉氧利用能力，又取决于有机体氧运输的能力。

本研究结果显示，高强间歇运动后反映局部肌肉氧利用能力的SMO2恢复最快，反映有机体整体氧运输能力HR恢复次之，运动中无氧糖酵解供能的代谢产物BLA的恢复最慢。

4 结论

综上不难发现，高强间歇运动后，SMO2、HR和BLA各自的恢复速率存在较大差异，SMO2恢复速率最快，HR次之，BLA最慢，提示高强间歇运动后各机能系统的恢复存在着异时性特征。SMO2、HR和BLA恢复速率的快慢反映的是有机体整体有氧能力的各个方面，它们之间相互影响，相互促进。