遞增靜力性收縮中肌氧拐點與肌電活動、心率變化之間的聯系

王幫德 ，田慶平 ，孫金燕 ，孫白雷 ，徐國棟 ，張 立 ，駱清銘 ，龔 輝

近紅外光譜術（near infrared spectroscopy，NIRS）作為一種新的無創運動生理監測技術，在運動科學中得到了廣泛應用[1]。NIRS技術可以實時監測局部肌肉中的氧合血紅蛋白（HbO2）、去氧血紅蛋白（Hb）和總血紅蛋白（tHb）濃度的相對變化，這些參數可以反映局部肌肉的氧含量變化[1-2]。近年來，有研究聯合動態性遞增運動測試（如自行車運動、劃船運動）及NIRS技術，發現局部肌肉肌氧變化過程存在拐點（breakpoints，Bp，又稱為“閾”），被稱之為肌氧拐點，并被用來反映局部肌肉的氧代謝能力[3-4]。由于肌氧拐點與乳酸閾（lactate threshold）、通氣閾（gas exchange threshold）及最大攝氧量（VO2max）有顯著相關性，而被提議用于有氧運動能力的預測[3]。然而，動態性運動范式調用的肌群數量多，導致心肺功能響應大，不適宜在只關注局部肌肉氧代謝能力的研究中采用，尤其是不宜在有心肺功能疾患且不能承受高強度動態運動的被試中采用。另外，動態性復雜運動與靜力性收縮（如靜力性等長伸膝運動）存在肌肉收縮形式、運動復雜程度上的差異，這種差異可能會導致局部肌肉生理變化上的差別。雖然已有研究在遞增靜力性收縮運動中利用NIRS技術去測量肌氧變化[5-6]，但是沒有分析遞增靜力性收縮中的肌氧拐點現象。MIZUNO等人提到了遞增靜力性收縮過程中的肌氧拐點現象[7]，但是被試數量少（n=7），而且肌氧監測儀的探頭沒有放置在文獻中常見的肌腹上，這可能影響其結論的普適性及可比性。因此，肌氧拐點在靜力性遞增運動中的存在性，需要通過進一步的試驗研究來提供證據。基于“神經血管耦聯”及遞增靜力性收縮時，心肺功能響應主要由少量局部肌肉收縮所致，研究遞增靜力性收縮中的肌氧變化、肌電活動及心率變化過程，有助于進一步分析靜力性收縮運動中局部肌肉的氧供平衡規律及其可能的影響因素，并且不需要被試承受較高的心肺功能負荷。

本文招募武漢體育學院非體育專業的普通大學生為被試，監測其遞增靜力性伸膝運動過程中股外側肌處肌氧變化過程。考慮到肌氧變化與肌肉神經肌電活動密切相關、靜力性伸膝運動中心肺功能響應主要是由于靜力性伸膝動作所致，我們同時還利用表面肌電技術（sEMG）和心率計監測肌電變化及心率變化過程。我們假設遞增靜力性伸膝運動中也存在肌氧拐點，并且肌氧拐點的出現與肌電變化、心率變化過程密切相關。

1 方 法

1.1 被試

19名男性被試均為武漢體育學院非體育專業的普通大學生，年齡、身高、體重的平均值±標準誤（SE）分別是（23.3±0.3）歲、（174±1）cm、（67.7±2.0）kg。所有被試均無肌病、心肺功能疾患。試驗前，獲取被試填寫的由當地倫理部門批準的知情同意書，并讓被試熟悉試驗室和測試過程。

1.2 范式

正式試驗前，被試上身直立，坐在等速儀（Biodex S4，Biodex Medical Systems，Inc.，New York）上。按廠家提供的儀器操作說明，利用在胸前交叉的綁帶固定被試上身，另外被試腰部也利用綁帶固定。膝關節的軸與等速儀的轉軸對準，膝關節呈60°（膝關節完全伸直為0°），因為此角度便于發力[8]。被試盡最大力量收縮3次，每次持續5 s，每次之間相隔2 min，最大值記為最大收縮力矩（MVC）[9]，MVC的測量與正式試驗至少相隔20 min。正式試驗時，被試在等速儀上靜坐休息2 min，然后開始漸增肌力的單側（右側）等長伸膝運動。肌力起始值為10%MVC，每級增加5%MVC，每級持續時間1 min（先收縮30 s，然后放松30 s），直到力竭[7]。為使實際收縮強度與目標收縮強度盡量一致，被試通過等速儀的顯示器實時查看自已的收縮強度并及時進行調整。在測試過程中，記錄右側股外側肌處的NIRS或sEMG信號。由于NIRS探頭和sEMG電極不能同時監測同一部位，所以遞增等長伸膝運動測試一共進行2次，2次試驗之間至少隔一天。一次試驗中測量股外側肌處NIRS信號，另外一次試驗則在同一部位上測量sEMG信號，試驗的次序隨機。

1.3 sEMG測量

參照肌電測量指南，電極放置在右側股外側肌（膝關節縫上方14～18 cm[4]，右側股骨外上髁和大轉子之間距離的1/2處[10]）。在電極放置前，對被測肌肉處的皮膚進行去毛、酒精清洗，待酒精晾干后再貼肌電電極。肌電電極采用銀/氯化銀電極，電極間距為34 mm。肌電信號利用肌電檢測儀（ME 6000，Mega Electronics Ltd.Finland）采集（共模抑制比CMRR為110 dB，噪聲小于1μV），采樣率為1 000 Hz，濾波器為巴特沃茲帶通濾波器（20～500 Hz）。數據通過肌電儀生產商提供的MegaWin軟件進行記錄，并實時呈現在電腦顯示器上。對肌電數據按1 s的步長進行分段，段與段之間的重疊率為75%，然后求取每個分段的均方根（root mean square，rms）值（sEMGrms），最后對每個收縮強度的肌電數據進行平均后作為該收縮強度的sEMGrms。對所有收縮強度的sEMGrms值，利用計算機自動擬合的方法[11]判斷肌電拐點（見圖1（b）），當兩段線性擬合結果中出現的殘余誤差平方和最小時，相應的分界點作為肌電拐點。

圖1 遞增等長伸膝運動中肌氧、肌電及心率變化過程（典型被試）Figure 1 The trends of NIRS，sEMG parameters and heart rate during incremental isometric knee extensions（typical result）

1.4 NIRS測量

利用華中科技大學武漢光電國家試驗室開發的連續波（continuous wave，CW）NIRS肌氧儀[12-13]監測右側股外側肌處的肌氧變化。肌氧儀探頭包含光源和探測器。光源集成了730 nm、805 nm、850 nm三個波長的發光二級管（LED）。730 nm波長處的光主要由還原血紅蛋白（Hb）吸收，850 nm波長處的光主要由氧合血紅蛋白（HbO2）色團吸收。805 nm波長則是Hb和HbO2等的吸收點，所以被用來計算總的氧合血紅蛋白濃度（tHb），而tHb可以用來反映血容的變化。CW-NIRS肌氧儀可以記錄組織吸收和散射前后的光強，然后根據修正的比爾-朗伯定律[2，4]，獲得Hb、HbO2和tHb的相對濃度變化。HbO2、Hb和tHb的相對濃度變化被分別記為Δ[HbO2]，Δ[Hb]和Δ[tHb]。另外，HbO2和Hb相對濃度變化之間的差（Δ[HbO2-Hb]）被作為肌肉氧指標（OI）[3-4]。

試驗前，將肌氧儀的探頭放置在肌電電極的相同位置上。探頭中光源探測器距離為35 mm，探測深度約為光源探測器距離的一半[14]。肌氧儀以2.9 Hz的頻率來采集NIRS信號，并設定靜息時相對濃度變化值為0，所有NIRS數據以AU（arbitrary unit）為單位。對每個收縮強度的NIRS數據進行平均，作為該收縮強度的NIRS參數值。參照文獻[3]，對平均后的NIRS肌氧氧指標，利用兩段線性擬合，當兩段擬合結果中出現的殘余誤差平方和最小時，相應的分界點作為肌氧拐點（OIBp，見圖1（a））。

1.5 心率測量

心率（HR）由HR檢測器（Suunto T6，Suunto Oy Vantaa，Filand）來采集，并以無線傳輸方式傳送到電腦中。心率每10 s記錄一次，對每個收縮強度的心率數據進行平均，作為該收縮強度下的心率。利用與判斷肌氧拐點、肌電拐點類似的辦法，判斷心率拐點（見圖 1（c））。

1.6 統計分析

除特別強調外，文章中所有結果均用平均值±標準誤形式表示。相關性利用皮爾遜相關分析來評定。配對樣本T檢驗用來對比兩次測試之間的差異及不同方法獲得的拐點之間的差異。除特殊規定外，顯著性水平設定為P＜0.05。所有統計分析均采用SPSS軟件進行。

2 結 果

2.1 兩次測試中的最大力矩，最大心率

所有被試均按要求完成兩次測試，由于技術原因，第二次測試中有兩人的心率采集失敗，導致無法判斷心率拐點。所有被試的MVC為（191±9）N*m。前后兩次測試過程中，被試力竭時的力矩分別為（148±7）N*m和（144±5）N*m，占最大收縮力矩的77.6%±1.8%和76.0%±1.9%。兩次測試過程中所達到的最大心率分別為（127±5）bpm和（122±4）bpm。力竭時所達到的最大力矩、最大心率在兩次測試之間沒有顯著差別（P＞0.628）。

圖2 所有被試肌氧、肌電、心率之間的相關性分析Figure 2 The correlations among OI，sEMGrms and HR

2.2 肌氧、肌電、心率的變化趨勢

如圖1所示，在低收縮強度時，肌氧氧指標、肌電均方根值及心率都有所變化。隨著收縮強度的繼續增加，在高強度收縮時，肌氧氧指標、肌電均方根值及心率都出現顯著的非線性增加，表現在高收縮強度時肌電均方根值、肌氧氧指標和心率的變化速率明顯高于低強度時的變化速率（見圖1）。肌氧氧指標和肌電均方根值之間存在顯著相關性（r=-0.992，P＜0.001，見圖2（a））。肌氧氧指標、肌電均方根值均與心率之間存在顯著相關性（OI vs.HR：r=-0.975，P＜0.001；sEMGrms vs.HR：r=0.992，P＜0.001，見圖2（b，c））。心率變化過程在兩次測試之間沒有顯著差異（P＞0.05）。

2.3 生理拐點

肌氧拐點及肌電拐點對應的時間、力矩和心率見表1。肌氧拐點和肌電拐點出現時的力矩為46.4%±2.1%MVC和50.8%±1.9%MVC。當考慮相應的時間、力矩和心率時，肌氧拐點和肌電拐點之間沒有顯著差異（見表1，P＞0.05）。另外，兩種局部生理拐點（OIBp和EMGBp）與相應的心率拐點都沒有顯著差異（見表 1，P＞0.05）。

前后兩次測試過程中的心率拐點對應的收縮強度分別為49.2%±1.8%MVC和49.1%±1.4%MVC。對應的心率分別為（88±3）bpm和（86±3）bpm。兩次試驗過程中心率拐點之間沒有顯著差異（P=0.782）。

表1 肌氧拐點、肌電拐點和心率拐點對應的時間、力矩和心率Table 1 The time，torque and HR corresponding to OIBp，EMGBp and HRBp

3 討 論

本研究對所有被試進行了遞增等長伸膝運動中肌氧、肌電和心率的監測，結果顯示被試力竭時的功率強度分布范圍（65%～90%MVC）比 MIZUNO等人[7]報道的范圍（55%～75%MVC，n=7）要寬，這可能與樣本容量及被試的來源有關系，我們的被試（n=19）為體育學院非體育專業的普通大學生，而MIZUNO等人的報道中沒有給出被試的來源信息。

3.1 遞增等長收縮范式的可重復性

由于肌氧和肌電探頭都占用一定的空間，為了檢測同一部位的肌氧和肌電變化，我們分兩次試驗，利用相同的范式來分別測量同一肌肉處肌氧和肌電變化過程。兩次試驗過程中的心率變化過程之間沒有顯著差異（P＞0.05），且達到的最大收縮力量、最大心率兩次試驗間都沒有顯著差異（P＞0.05）。這表明了測量的可重復性好，也表明我們分析兩次測量過程中分別獲得的肌氧、肌電變化過程之間的聯系是合理的。

3.2 生理拐點的出現及拐點間的聯系

低強度收縮時（＜45%MVC），由于收縮強度小、氧供充足，肌肉中的肌纖維募集應該以慢肌纖維為主。肌肉收縮會對血管造成輕微擠壓，對血流的阻礙較小，而且肌肉中的血流會因壓力反射而得到增加[15-16]，同時HR的增加及收縮過程中肌肉中的血管旁路的啟用會為外周肌肉輸運充足的氧，這些可能的影響最終導致局部肌肉中的氧供平衡得以繼續維持而沒有出現肌肉氧指標的顯著下降。高強度收縮時（＞45%MVC），由于慢肌纖維的數量有限，及部分慢肌纖維在前期的間隙等長收縮過程中的疲勞，大量肌電振幅和頻率更高的快肌纖維將被募集，使得肌電幅值開始大量增加。快肌纖維主要以糖酵解供能為主，于是慢肌纖維持續工作和快肌纖維的更多募集，都會導致新陳代謝物質，尤其是酸類物質的堆積，堆積的酸類物質會通過波爾效應進一步促進HbO2的解離[17]。同時，高強度的肌肉收縮進一步限制局部肌肉中的血流，使得進一步增加的心率仍不能為局部肌肉提供足夠的氧，最終導致局部肌肉中氧供平衡被打破——肌氧氧指標在高強度收縮時急劇下降（血容沒有顯著下降，見圖1（a）），從而導致肌氧氧指標拐點的出現。氧供平衡的打破，會導致募集更多的快肌纖維、加速肌電幅值的增加和酸類物質積聚，從而出現肌電拐點。新陳代謝物質的堆積會使血液中酸的濃度增加，刺激中樞神經系統，導致心率顯著增加，從而導致心率拐點的出現。

結果中肌氧拐點、肌電拐點、心率拐點三者之間沒有顯著差別（見表1）。隨著收縮強度的增加，產生力量時新陳代謝所需要的消耗，如對氧的需求會不斷增加[6]。肌肉內的新陳代謝響應會從早期的以有氧代謝為主，轉變到極大地依賴于糖酵解供能，并伴隨著高運動強度時出現的新陳代謝物質的堆積和疲勞過程[18]。核磁共振譜研究結果表明，在靜力性遞增運動過程中，肌肉中的氫離子濃度以及反映供能狀態的無機磷/磷酸肌酸比率（[Pi]/[PCr]）在40%～50%MVC左右出現拐點[18]。另外，肌肉疲勞會伴隨肌肉神經電活動的變化，有文獻提到遞增等長收縮中股外側肌在40%MVC時出現肌電幅值的非線性增加[19]。與這些生理拐點（或非線性變化過程）一致的是，本研究中肌氧拐點、肌電拐點和心率拐點出現時的收縮強度均在40%～50%MVC左右。結果中肌氧氧指標、肌電均方根值和心率三者之間呈現的顯著相關性表明，當三者之一出現拐點現象，另外二者均應存在類似拐點現象。另外，肌氧拐點、肌電拐點反映的都是局部肌肉的生理拐點現象，因此兩者之間沒有顯著差異是合理的。本研究中的遞增靜力性收縮中，由于只涉及單側伸膝運動，身體其它部位的參與程度低，所以心肺功能的改變主要由于單側伸膝運動引起，因此局部肌肉的肌氧拐點和肌電拐點均與全身性的心率拐點之間沒有顯著差別，也是合理的。

本研究聯合NIRS技術和遞增靜力性伸膝運動范式，發現遞增等容收縮過程中參與運動的局部肌肉處也存在肌氧拐點，并得到了與之類似的肌電拐點和心率拐點的佐證。利用NIRS技術測量最大遞增運動過程中局部肌肉的肌氧拐點，可能用于評估局部肌肉的氧代謝能力、對比肌肉之間氧代謝能力的匹配程度[4]、甚至進行全面的有氧運動能力評估[3，12]，但以往的研究涉及的運動主要為自行車運動等動態運動[3，11-12，20]。采用動態運動（尤其是最大遞增動態運動）研究局部肌肉肌氧拐點，會導致心肺功能負荷劇增甚至接近人體承受能力的上限。承受過高的心肺功能負荷可能會給人體帶來不利甚至危險，在心肺功能較弱（或有心肺功能疾患）的被試中應當避免高強度動態運動[21-22]。雖然本研究中高收縮強度時的心率增加速率相對低收縮強度時的心率增加速率顯著提高（心率有增加但仍在90 bpm以下），而且心率在力竭時達到了125 bpm左右，但是力竭時的心率遠遠小于最大遞增動態運動中可能達到的年齡預測最大心率[4]，主要原因是涉及的運動僅為靜力性單側伸膝運動，不會導致過高的心肺功能負荷。聯合NIRS技術和遞增靜力性收縮運動范式的測量方法，可以在避免承受過高心肺功能負荷的情況下測量局部肌肉的生理拐點，有望讓NIRS局部肌肉肌氧拐點的測量在心肺功能較弱（或不便于承受過高心肺功能負荷）的群體中得以實現，這有利于對這些群體進行肌肉氧代謝能力評估，并為NIRS技術在運動科學中的推廣提供更多理論支持。

4 結 論

結果表明，在靜力性遞增伸膝運動中肌肉神經肌電活動與肌肉氧供存在顯著相關性。遞增等長伸膝運動中股外側肌處存在肌氧拐點和肌電拐點，這些局部肌肉處的生理拐點均與心率拐點沒有顯著差異，表明靜力性遞增伸膝運動中，運動肌中肌氧變化過程也存在拐點現象，并且肌氧拐點與肌電幅度、心率的顯著增加密切相關。聯合遞增靜力性收縮運動范式及NIRS技術，有望成為研究局部肌肉氧代謝能力并避免過高心肺功能負荷的一種新途徑。

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