对递增负荷运动中肌氧拐点与无氧阈间关系的研究

余健凡

(苏州大学 体育学院，江苏 苏州 215000)

1 前言

在生物医学的光子学领域中近红外光谱测定技术是一个非常重要的内容,这个技术可以不间断、及时、灵敏并且没有损伤地检测出肌肉中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白含量的变化(周超彦2005 )。此种技术使机体肌肉内氧的摄取与利用过程可以通过没有外伤的方法进行测定,用一种全新的方法监控着机体在运动状态下骨骼肌的氧供状态。

在竞技体育发展迅速的大背景下，体育运动中常用的各种理化指标(如乳酸阈、最大摄氧量等)越来越多地在运动训练和科学监督的检测与应用中被重视起来，但许多检测的指标仍存在缺陷，如有侵袭、实验设备昂贵、操作过程复杂等。除此之外，部分指标的采集和检测会存在延迟现象。这样一来就可以用一种新的方法在无创伤的条件下对运动中肌肉组织氧含量变化进行检测(王国祥 等，2003)。在了解运动过程中人体的机能情况,科学地进行运动训练或对训练效果进行评价时，检测运动时机体肌肉内氧供给与氧消耗的状况有着重要的借鉴价值。现今，对于运动中肌肉组织氧含量与运动水平之间关系的研究非常热门。本实验的研究目的在于观察肌氧变化与运动负荷及系统参数摄氧量的关系，从而找到一个新的评价运动水平的指标。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

研究对象纳入标准如下：1)19～22岁成年女性，BMI指数在18.5～23.0之间；2)身体健康，下肢骨、关节和肌肉等无重大伤病史；3)大腿围度在45～55cm之间，且曾接受过2～4年的系统性中长跑运动训练，受试者基本情况见表1。实验前所有受试者均被告知此次研究的目的，了解实验流程和注意事项，并且已签署知情同意书。

表1 受试者基本情况

1.2 实验仪器

实验采用Moxy近红外无线肌氧监测仪用于监测受试者股四头肌肌氧含量变化；MAX-Ⅱ运动心肺功能测试系统提供运动负荷并监测潮气量、摄氧量、心率等指标。

1.3 实验流程

实验地点：苏州大学体育学院生物力学实验室。

实验方法：20名受试者在功率自行车上做递增负荷运动21分钟。

实验步骤具体如下：在实验室内首先让受试者在安静状态休息数分钟，然后将近红外光谱肌氧监测仪固定在受试者股外侧肌上，探头纵放在受试者左侧大腿膝关节关节间隙上方10cm左右的地方，使光源和监测器平行于大腿并用遮光胶带将探头固定，尽量减少外界的光线干扰。安装好肌氧监测仪后向受试者讲解实验流程及具体要求和所要注意事项，在熟悉所要求的事项，测试人员发出测试口令后，受试者便开始以递增负荷在跑台上进行运动。跑台上等级递增负荷的Bruce方法是本实验所用的测试方法(见表2)。

表2 受试者7级运动排序

1.4 数理统计与分析

2 结果与分析

2.1 结果

在受试者做等级递增负荷运动时，她们肌肉组织氧含量的变化随着运动强度等级的递增而递增。20名中长跑女运动员的肌肉组织氧含量的相对变化如表4所示，每级强度末各项参数的平均值如表3所示。从表中我们不难看出机体在进行递增负荷运动时，随着运动强度的增加机体的气体交换率也等级递增。从氧气摄入量(VO2)和二氧化碳呼出量(VCO2)数据的变化中我们可以看出，当运动负荷逐级增加时，氧气摄入量和二氧化碳呼出量两项参数值都明显增加。当运动强度处于较低状态时，也就是在实验进行至11.6min左右之前，氧气摄入量明显高于二氧化碳呼出量；当实验进行至11.6-12.6min之间时氧气摄入量与二氧化碳呼出量基本相当；而当实验进行至12.6min之后氧气摄入量明显小于二氧化碳呼出量，这就形成了“无氧阈”的拐点。从表4和5中我们还可以看出，当达到最大运动强度时受试者的最大摄氧量(VO2max)为4115ml/min；二氧化碳呼出量(VCO2)为4239ml/min，此时的气体交换率为1.16。

表3 20名受试者每级强度末各参数平均值(x±s)

表4 受试者肌氧含量指标变化表

当受试者在进行等级递增运动负荷时，肌肉组织氧含量的表现为：在等级增加时,肌肉氧含量最初与静息状态时一致,一段时间后就缓慢降下来了,当快要达到机体的乳酸阈时,肌肉组织的氧含量下降的更加快速。当达到机体最大摄氧量时,肌肉组织氧含量下降变化幅度就降低了。当机体停止运动时，肌肉组织氧含量开始超量恢复。肌肉组织氧含量在机体达到无氧阈前和开始运动负荷等级递增后下降明显,在逐级递增负荷开始阶段时肌肉组织氧含量降低变化幅度大显示刚开始增加负荷时肌肉组织的收缩强烈,正是由于这种强烈的收缩限制局部组织的血流，破坏了局部组织的氧供需平衡,这就造成运动中肌肉组织的氧耗使用加大局部动静脉氧差的方式完成(李红燕 等，2005)。然而随着对运动的适应，机体摄氧量增加,肌肉组织氧供需比会稍升高或保持平衡。当机体达到无氧阈后,每当负荷等级递增时肌肉组织氧含量就持续下降，此处估计大概是因为当递增负荷达到较大强度后,机体的肌肉为了完成运动而强烈收缩,极大地减少了运动中肌肉的血流量，进一步限制肌肉组织的供氧量,但是此时机体的耗氧量仍未减小,所以当机体达到无氧阈时肌肉组织的氧含量迅速下降即局部组织氧供需平衡被打破，耗氧量远远超过氧供应量，进而我们可认为无氧阈的出现与局部组织氧供需平衡状态被打破有关(李伟 等，2009)。当机体运动至接近力竭状态时,有些运动员的肌肉组织氧含量会出现一个相当平台期,这说明了机体的氧供需又达到了一个新的平衡状态。当机体停止运动之后,肌肉组织的氧含量大幅度增高，有的可以超过机体静息状态下的肌肉组织氧含量且血管血流量也大幅度增高。原因为运动时为加快机体散热，肌肉组织的毛细血管虽然扩张但是因为氧气消耗量远远大于氧气供应量所以肌肉组织氧含量降低，然而当机体停止运动后,已经扩张的毛细血管未完全收缩,而且大强度运动时产生的酸性代谢产物也有扩血管的作用都使肌肉组织毛细血管的血流量较大，并且由于肌肉组织停止收缩，耗氧量下降使得肌氧含量急剧升高(蔡前鑫，2016)。

从结果中我们可以看出: 局部肌肉组织的肌氧情况可以由近红外光谱技术较为准确的测得，当机体在运动过程中时，肌肉组织氧含量变化趋势与呼吸系统数据的变化趋势相一致，这说明在参加运动时，机体摄入的氧量主要供给肌肉本身运动所需(王爱华，2009)。综上所述，通过监测运动中局部肌肉的上述肌氧参数推测机体呼吸系指标是可以操作的。

对20名女中长跑运动员的肌肉氧含量相对变化值与最大摄氧量采用分析法进行相关性分析，表现出了明显的相关性，其相关系数分别为0.828和0.827，且在P<0.01的水平上具有显著意义。图1为Deff与VO2max的线性关系图。

图1 Deff相对变化值与最大摄氧量间线性关系图

2.1.1 肌肉组织氧含量变化在等级递增负荷运动中的表现

在进行递增运动负荷试验时，机体内肌肉氧含量随着运动负荷的每级递增而显现出下降的趋势，这与当前国内外的研究结果相符。当机体在运动过程中时，对氧气的需求量会随着运动负荷的每级递增而增加，肌肉组织的脱氧使得肌肉氧含量减少。肌肉组织消耗掉的氧气是用来产生维持继续运动的能量并氧化运动过程中产生的乳酸(沈友清 等，2006)。在递增运动负荷时肌肉局部的氧气消耗量会持续增长，直至机体停止运动后的某个时间点。肌肉氧含量的变化主要与机体氧气消耗和氧气供应的差异有关。运动过程中肌肉氧含量的变化与肌肉内氧代谢水有很高的相关性。

2.1.2 肌肉组织氧含量的相对变化值

静息状态下，肌肉组织中的氧气消耗与供应处在一种动态平衡的状态下，即一方面动脉毛细血管向肌肉组织供氧，另一方面这个氧又会与营养物质结合产生能量，将血氧饱和度较低的血液运输到静脉。但是在进行大强度运动时，机体需要更多的能量来维持运动，肌肉组织中的氧气消耗量急剧增加，致使局部的肌肉组织内氧耗过多导致脱氧，整体肌肉组织的氧气含量下降，此时的肌肉组织的氧含量与静息状态下相比形成了一个相对差值(Deff)。不同的运动员从平静到运动停止后即刻，肌肉组织氧气含量相对差值会有所不同。肌肉组织局部的脱氧情况取决于机体进行运动的强度：当机体运动强度开始降低时，肌肉组织的氧含量变化幅度也降低；当机体开始进行每级递增负荷运动时，血乳酸增加，肌肉组织的氧含量变化幅度也加大，此时肌肉既需要大量消耗氧气还需要氧化生成的血乳酸，这就使得肌肉氧含量明显下降，下降越多，即Deff绝对值越大表明肌组织氧气消耗量越大。从这里可以看出，机体在进行高强度运动的过程中，Deff的变化反映了肌肉组织动员率和利用氧气的情况,这可用来客观评价运动过程中机体肌肉的氧化代谢能力。在完成同样的运动负荷条件下,当Deff值越大时, 就反映了机体动员和利用氧气的能力越强,机体有氧代谢能力越好, 这用来确保局部骨骼肌能处在较低水平下维持机体氧供应和氧消耗的平衡。与此相反,当Deff值越小时 ,反映骨骼肌消耗的氧气越少, 机体动员和利用氧气的能力越弱,机体有氧代谢能力越差。

表5 受试者最大摄氧量值

2.2 分析讨论

2.2.1 肌氧含量相对差值与最大摄氧量的相关分析

人体肌肉组织氧含量的相对差异(Deff)与摄取氧气的最大含量(VO2max)之间存在一定的相关性，而所有的这些都与人体的气体代谢能力水平有关。最大摄取氧气量(VO2max)反映了机体输送氧气的能力(包括心脏输送能力、氧合血红蛋白等)。吸收和使用肌肉中的氧气的能力(包括线粒体数量、酶活动水平等)是重要的标准。

这些标准是有效评估运动员有氧代谢能力的重要标准。Deff反映了运动期间局部肌肉组织的运动强度和身体状况，肌肉组织中的氧气摄入量和消耗量与产生的能量成正比，肌肉组织中的氧气摄入量有助于运动期间和运动期间的能量供给(郑皎洁 等，2007)。当负载相同时，肌肉氧气含量下降得越快，这意味着局部肌肉对氧气的需求和消耗量就越大。运动消耗殆尽时，肌肉组织的氧气动员和使用能力也达到了极限，Deff反映了肌肉组织氧气消耗量的相对变化。人体肌肉组织中氧气含量的相对差异(Deff)与观察到的最大摄取氧气含量(VO2max)之间存在着联系，所有这些都与人体氧气的新陈代谢能力水平有关。

2.2.2 氧合血红蛋白指标在递增负荷运动中意义的讨论

人体组织中的微血管系统包括微导管、毛细血管，而肌肉氧含量则是骨骼肌微血管中血红蛋白浓度乘以重量的相对变化平均值，反映了血红蛋白与氧气的结合和解离的动态变化(张晓辉，2014)。肌肉和血液中的氧气会在肌肉组织运转过程中消耗，随着肌氧含量的供应不足，肌组织的工作能力也会随之下降，此时便会出现疲劳，运动代谢副产物也难以得到清除。在运动过程中肌肉组织氧密度会随着机体温度升高而升高，运动肌肉代谢能力的增强而升高，机体能量代谢的加快而升高等。肌氧饱和度的下降也就意味着机体疲劳的产生，运动能力的下降和体力的消耗。

本实验研究中在递增工作强度运动后期时,气体交换率大于1也证明了CO2对机体HbO2作用的影响(徐国栋 等，2004)。

3 结论

一旦机体开始参与到运动中去，通过实验我们可以知道肌肉组织中氧合血红蛋白(HbO2)含量和血红蛋白(Hb)含量的相对变化均比较明显。随着运动负荷的等级性递增和运动时间的逐渐加长,肌肉组织中氧合血红蛋白(HbO2)含量的相对变化逐渐下降,这种表现在机体参与不同级负荷运动时变化得更为明显。由此可知，利用近红外肌氧监测技术来检测中长跑运动员在跑台上做递增强度负荷运动时肌肉组织内肌肉氧含量的相对变化是可行的，为无损伤监测人体运动时氧化代谢能力提供新的途径，更好的满足现今社会不断发展下人们对于体育日益增长的需求。