基于近紅外光譜技術的個體無氧閾測試算法

梁景超

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基于近紅外光譜技術的個體無氧閾測試算法

梁景超

本研究詣在提出并檢驗通過近紅外光譜技術測試運動員個體無氧閾的測試算法的合理性。以18名吉林省某足球俱樂部運動員為實驗對象，在跑臺上進行遞增負荷測試，期間采集受試者肌肉血氧相關參數與血乳酸。測試結束后，將基于近紅外光譜技術的無氧閾測試算法找出的受試者個體無氧閾，與通過血乳酸動力學變化曲線圖上找出的受試者的個體無氧閾相比對，以檢驗該測試算法的合理性。結果發現，該測試算法找出的受試者個體無氧閾與通過血乳酸動力學變化曲線圖上找出的個體無氧閾相一致，說明該測試算法是合理的。

近紅外光譜技術；個體無氧閾；測試算法

目前，國內外較為廣泛地認為乳酸無氧閾大小可以用血乳酸濃度達到4mmol/L時的運動強度、功率、耗氧量或最大攝氧量百分比來表示。然而有研究表明[1]，乳酸代謝存在較大的個體差異，遞增負荷運動時血乳酸急劇上升時的乳酸水平在1.4～7.5mmol/L之間，而且不同運動項目、不同運動員及相同運動員的不同訓練階段，乳酸閾值都是變動的，需要根據不同運動員的具體情況，提供針對性的有氧訓練計劃，根據個體無氧閾的強度選擇最佳的訓練強度。

通過近紅外光譜技術可以監測到受試者在進行遞增負荷至力竭期間氧合血紅蛋白含量出現較大幅度下降的現象，有學者稱其含量開始大幅度下降的點為“拐點”，并用實驗證明拐點的出現與無氧閾的出現高度相關，可以嘗試利用拐點來替代操作繁瑣、有創的個體無氧閾測試方法，進行個體有氧能力和運動訓練效果的生理學評價。而拐點的確定較為主觀，因此本研究詣在提出并檢驗通過近紅外光譜技術測試運動員個體無氧閾的測試算法的合理性。

1 實驗對象與方法

1.1 實驗對象

以18名吉林省某足球俱樂部運動員為實驗對象，受試者均為男性，對本實驗知情同意。

1.2 實驗儀器

荷蘭產PortaLite實時無線血氧監測系統、芬蘭產Polar團隊系統Team2、德國產血乳酸鹽分析儀EKF-C-LINE、德國產h/p/cosmos專業級運動跑臺。

1.3 實驗方法

1.2.1 實驗測試方案

首先讓受試者在跑臺上進行15min熱身活動，速度為9km/h。休息5min后，取受試者靜息狀態下指尖血測試血乳酸，然后以9km/h為初始速度，每3min遞增1km/h的遞增方案進行遞增負荷測試，每級負荷結束后讓受試者雙腳站在跑臺的兩側并取指尖血測試血乳酸，取后繼續進行測試，直至受試者主觀力竭。力竭后2min、5min、10min取受試者指尖血測試血乳酸。

1.2.2 肌肉血氧相關參數的測定

使用荷蘭產PortaLite實時無線血氧監測系統監測肌肉血氧相關參數，測試時選取股直肌為待測肌肉，待測點的位置為股直肌起止點連線的中點處。將傳感器探頭的縱軸平行于股直肌放置在待測點處，為防止汗水浸入探頭影響監測精度，在探頭外包裹一層透光塑料薄膜,并用彈性繃帶覆蓋并固定住探頭。固定彈性繃帶的松緊度要適度,既要保持探頭與皮膚之間的良好接觸,避免在運動過程中因探頭移動或脫落而造成數據不準確,又不能壓迫肢體造成缺血，這樣會造成測試指標的變化不明顯[2]。每次測試前均需進行監測系統的初始化,約2分鐘左右出現穩定值后再開始正式記錄肌肉血氧相關參數，采樣頻率設置為1Hz，實驗數據經高斯法(Gaussian)處理。

1.2.3 個體無氧閾測試算法

由于遞增負荷測試每級3min，PortaLite實時無線血氧監測系統每1秒記錄一次參數值，所以將每級負荷的180個O2Hb的參數導入SPSS17.0中，然后將相鄰兩級的O2Hb進行組間相關性分析，相關系數會先呈上升趨勢然后出現一個下降趨勢，開始下降的第一個系數所對應的兩個負荷等級，后者即為受試者個體無氧閾。同時，根據各個時刻測試的乳酸值繪出受試者血乳酸動力學變化曲線，并在曲線上標定受試者個體無氧閾，從而檢驗兩種測試方法找出的受試者個體無氧閾是否一致。

2 測試結果

圖一 受試者A遞增負荷測試血乳酸動力學變化曲線

圖一為受試者A遞增負荷測試血乳酸動力學變化曲線，通過分析可知該名受試者的個體無氧閾出現在第4級負荷，個體乳酸閾為4.9mmol/L。

表1 受試者A遞增負荷測試相鄰兩級O2Hb參數相關性

表1為受試者A遞增負荷測試期間相鄰兩級負荷O2Hb參數相關性，第1級與第2級負荷O2Hb參數相關性為0.78，第2級與第3級為0.802，第3級與第4級為0.764，第4級與第5級為0.912，第5級與第6級為0.866，第6級與第7級為0.842。通過分析可知該名受試者的個體無氧閾出現在第4級負荷。

3 分析與討論

監控運動時骨骼肌內氧供應與氧消耗的狀況對于了解運動時人體的身體機能狀況、科學指導運動訓練、評價訓練效果等有著重要的參考價值。進入血液的O2只有約1.5%溶于血漿，98.5%進入紅細胞并與血紅蛋白(Hb)結合形成O2Hb[3]。在骨骼肌中，O2Hb釋放出O2后，能夠有效地接受[H]+形成HHb。當血液流經肺部時，HHb從肺泡中攝取O2形成O2Hb和[H]+，O2Hb會再次隨著血液到達骨骼肌中為骨骼肌提供氧氣。而波長為700900nm的近紅外光對人體有良好的穿透性，此波段中O2Hb和HHb是主要的吸收體，且二者的吸收譜存在顯著差異[4]，因此可以應用近紅外光譜技術實時監測運動骨骼肌在不同負荷運動時這兩項參數含量的變化，使人體骨骼肌內的氧供應與氧消耗狀況可以通過無創的方法進行監測，為監測人體運動中骨骼肌內的氧供狀態提供了新的途徑[5]。

在遞增負荷測試中，血乳酸濃度隨運動負荷的遞增而呈逐漸增加的趨勢，當運動強度達到某一負荷時，血乳酸濃度急劇升高，我們將血乳酸濃度急劇升高的起始點稱為乳酸無氧閾。乳酸無氧閾標志著運動員的機體從有氧代謝狀態轉變成為無氧代謝狀態。

有研究稱[6]，運動員在功率自行車上做遞增負荷測試期間，通過近紅外光譜可以檢測到其股直肌的O2Hb會出現迅速下降的現象，有學者稱其含量明顯下降的點為“拐點”,并用實驗證明拐點的出現與無氧閾的出現高度相關。但通過跑臺做遞增負荷測試，并不能輕易找到“拐點”，這可能與運動形式不同以及每級負荷結束后受試者需要靜止采集指尖血有關。

“拐點”出現之前，受試運動員體內以有氧供能方式為主。當進行低負荷運動時，其骨骼肌主要募集的是慢肌纖維，慢肌纖維中儲存有一定量的氧，肌紅蛋白的含量也比較豐富，毛細血管網較為發達，線粒體體積大而且多，線粒體中的有氧代謝酶活性較強，因而慢肌纖維具有較強的有氧代謝能力，使得O2Hb含量下降較少[3]。隨著運動強度的加大，骨骼肌募集的快肌纖維開始逐漸增多，骨骼肌肌細胞內外乳酸等各種酸性代謝產物的顯著增多并開始積累,PCO2和[H]+濃度增高,由于波爾效應使血紅蛋白對O2的親和力下降,氧離曲線右移，從而釋放出更多的O2，透入肌肉的近紅外光便檢測到HHb含量增多而O2Hb含量顯著減少[8]。

所以通過對“拐點”的分析可知，無氧閾前后O2Hb的含量會出現較大幅度的變化，而無氧閾之前O2Hb的含量變化幅度較小，因此可以將各級負荷期間的O2Hb參數進行采集并做組間相關性分析，出現無氧閾的級數與前一級O2Hb參數相關性相對其它相鄰兩級負荷的O2Hb參數的相關性較小，所以可以用此方法測試運動員個體無氧閾。同時通過血乳酸的值繪出的血乳酸動力學曲線上的個體無氧閾進行驗證發現兩種測試方法的結果是一致的，說明該數據處理方法是合理的。

4 結論

通過將受試運動員遞增負荷測試期間相鄰兩級的O2Hb參數進行采集并做組間相關性分析，可以測試出受試運動員的個體無氧閾，該結果與通過測試遞增負荷各個時刻的乳酸值得出的受試者個體無氧閾相一致，說明該測試算法是合理的。

[1] 林文弢,鞠麗麗.個體乳酸閾與運動訓練[J].中國體育教練員,2015,(3):16-18.

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[7] Miura H, Araki H, Matoba,et al. Relationship among oxygenation, myoelectric activity, and lactic acid accumulation in vastus lateralis muscle during exercise with constant work rate[J]. Int J Sports Med, 2000 Apr, 21(3):180-4.

Individual Anaerobic Threshold Measurement Algorithm Based on Near Infrared Spectroscopy

Liang Jingchao

In this study, the author proposes and tests the rationality of the test algorithm for determining the anaerobic threshold of an athlete by near-infrared spectroscopy. In this study, 18 athletes from a football club in Jilin province are used to carry out the incremental load test on the running table. The blood oxygen parameters and blood lactate are collected during the test. After the end of the test, the subject & apos; anaerobic threshold, as determined by an anaerobic threshold test algorithm based on near-infrared spectroscopy techniques, compare to the subject & apos; anaerobic threshold determined by the blood lactate kinetic change profile, to test the reasonableness of the test algorithm. It was found that the individual anaerobic threshold found by the test algorithm was consistent with the anaerobic threshold of the individual found on the blood lactate kinetic curve, indicating that the test algorithm was reasonable.

near infrared spectroscopy; individual anaerobic threshold; the test algorithm

吉林體育學院研究生科研創新基金資助項目(項目編號：YC2016029)

梁景超(1993-)，男，遼寧沈陽人，在讀碩士研究生，研究方向：體育教育訓練學。

吉林體育學院，吉林 長春 130022

Jilin Sport University, Changchun 130022, Jilin, China.

G804

A

1005-0256(2016)012-0048-2

10.19379/j.cnki.issn.1005-0256.2016.012.021