肌氧技術在遞增負荷運動下變化特征研究*

陳鋼銳 蔣新月 戴劍松，2 秦學林，2

（1.南京體育學院，江蘇 南京 210014；2.江蘇省運動與健康工程協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210014）

隨著科技的發(fā)展和對訓練理念認識的深刻，運動訓練中的數(shù)字化訓練越來越受到重視，數(shù)字化訓練也將成為大眾健身未來的發(fā)展趨勢[1]。對訓練過程中生理指標的監(jiān)控、評估是數(shù)字化訓練不可缺少的一部分，攝氧量、心率、血乳酸等為常用監(jiān)控指標，主要反映訓練強度和機體的變化狀況，但是這些數(shù)據(jù)指標的采集存在一定的局限性，比如攝氧量的采集需要佩戴面罩，血乳酸測試需要進行多次采血等，這些操作給運動員帶來一定不適，影響運動員的發(fā)揮。肌氧作為近10年來新興的生理指標，其是通過局部肌肉氧合血紅蛋白的濃度與總血紅蛋白濃度的比值來反映肌氧飽和度[2]。肌氧能夠敏感、精確地反映人體氧運輸和利用的動態(tài)狀態(tài)，從而客觀評價人體運動能力、監(jiān)控實時運動狀態(tài)、評估運動效果[3-4]。相關學者的研究發(fā)現(xiàn)，肌氧飽和度與局部肌肉耐力及全身耐力存在相關性，運動過程中肌氧的含量與血乳酸之間存在線性相關關系[5-7]。因此，準確測量肌肉內(nèi)的氧含量及其變化趨勢對于評估肌肉耐力和機體運動能力具有重要的研究價值。本研究采用肌氧技術測定遞增負荷運動中肌氧的變化特征，探究肌氧與心率、攝氧量的變化規(guī)律及其相關性，為肌氧含量測定在大眾健身和運動訓練中的應用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗對象與方法

1.1 實驗對象

本研究共招募受試者77名，其中男性41人，女性36人。測試流程及細節(jié)均提前告知受試者，并簽署知情同意書。所有受試者在測試當天及測試前一周均無感冒發(fā)熱，也無代謝類疾病等問題，測試前三天均未進行任何劇烈體力活動。受試者基本情況見表1。

表1 受試者基本情況

1.2 研究方法

1.2.1 實驗方案

實驗前告知每位受試者實驗的流程，要求每位受試者同時佩戴Getwell肌氧監(jiān)測儀和COSMED K5便攜式能量代謝測試儀完成標準Bruce運動方案測試（見表2）。用Getwell肌氧監(jiān)測儀來監(jiān)測小腿腓腸肌的肌氧水平，該儀器佩戴在受試者小腿三頭肌肌腹最高點，其軸線要與小腿平行，通過彈性綁帶緊貼皮膚，松緊適度，保證在運動過程中不會脫落，同時也不會因為過緊而出現(xiàn)小腿缺血現(xiàn)象。再通過藍牙鏈接平板電腦上的加動健康APP，得到受試者在完成整個運動方案的過程中的肌氧變化趨勢的相關數(shù)據(jù)。利用COSMED K5便攜式能量代謝測試儀的實時記錄受試者實驗過程中的攝氧量、心率等參數(shù)。整個實驗過程中，全程實時記錄受試者完成Bruce運動方案的肌氧與攝氧量數(shù)據(jù)，并通過兩部設備相關聯(lián)的軟件終端導出受試者整個運動過程的肌氧數(shù)據(jù)與氣體代謝數(shù)據(jù)，并對其進行分析。

1.2.2 運動方案

Bruce運動方案是經(jīng)典的遞增運動負荷試驗方案，通過每3分鐘增加一級負荷，讓受試者心率、攝氧量逐步提高，直至達到力竭狀態(tài)。

表2 標準Bruce運動方案

1.2.3 實驗儀器及原理

肌肉中氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白具有不同吸收光效率。Getwell肌氧監(jiān)測儀及其配套的平板電腦終端，利用近紅外光譜技術（NIRS），將兩種不同波長的光射入肌肉中，檢測投射或者反射信號的強弱，利用雙波長比爾定律算出肌肉中氧含量的相對水平[8]，精確監(jiān)控肌肉內(nèi)實時血氧濃度。意大利產(chǎn)的便攜式能量代謝儀COSMED K5，實時對運動過程中吸入與呼出氣體成分進行分析，同步測試肌體在運動過程中各項氣體成分指標。德國產(chǎn)的H/P/COSMOS跑步機，完全滿足經(jīng)典的Bruce跑臺遞增負荷實驗要求。

1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本研究中的數(shù)據(jù)整理分析采用JMP14.2.0統(tǒng)計軟件進行，數(shù)值采用平均數(shù)±標準差表示。對所獲數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，對比不同等級負荷對受試者肌氧、攝氧量、心率的影響（顯著性水平α設為0.05，P＜0.05表示具有顯著性差異，P＜0.01表示具有高度顯著性差異）。Pearson檢驗用于肌氧的變化與攝氧量和心率的變化的相關性分析。

2 研究結果

2.1 受試者遞增負荷試驗中肌氧、攝氧量和心率的變化特征

通過測試發(fā)現(xiàn)，在整個遞增負荷實驗過程中，隨著負荷的逐漸增加，受試者的心率、攝氧量呈現(xiàn)上升的趨勢；而肌氧呈現(xiàn)下降趨勢，與攝氧量及心率呈現(xiàn)相反的變化趨勢（見表3）。

表3 在遞增負荷試驗中肌氧、攝氧量和心率的測試結果

2.2 不同性別受試者在遞增負荷試驗中肌氧、攝氧量和心率的變化特征

表4 不同性別受試者在遞增負荷下的肌氧、攝氧量和心率的測試結果

從表4可以看出，在第三級負荷和第四級負荷中，肌氧指標表現(xiàn)出明顯的性別差異性，男性受試者肌氧下降的幅度明顯大于女性受試者（P＜0.05），且男性受試者在第五和第六級負荷中肌氧指標持續(xù)下降，第六級負荷結束時達到最低值。這提示肌氧對于運動負荷變化來說是一個敏感的指標，隨著運動負荷的增加，無論男性受試者還是女性受試者，肌氧均隨著負荷的逐級增加而遞減，并且男性受試者肌氧下降的幅度要明顯大于女性受試者。在攝氧量方面，男性受試者與女性受試者在整個遞增負荷實驗過程中均未表現(xiàn)出差異性（P＞0.05）。在心率方面，女性受試者從運動初期便表現(xiàn)出比男性受試者更高的心率，并且在第一、第二和第三級負荷中皆高于男性受試者（P＜0.05）。這提示女性受試者在運動初期便需要調(diào)動更多的血液到肌肉組織中，才能滿足機體有氧代謝的需求。

2.3 不同等級心肺耐力受試者肌氧、攝氧量和心率的變化特征

為深入探究不同有氧能力受試者在整個遞增負荷試驗中的肌氧、攝氧量和心率的變化特點，將對男性和女性受試者進行有氧能力分級，把最大攝氧量水平分布在前75%區(qū)間的認定為心肺較好等級，而將最大攝氧量水平分布在后25%區(qū)間的認定為心肺較差等級。男性和女性受試者最大攝氧量測試結果見表5。

從表6可以看到，心肺較好與心肺較差的男性受試者在整個遞增負荷試驗中的肌氧、攝氧量的變化未見顯著性差異，而心率只在第3分鐘和第6分鐘存在統(tǒng)計學上的差異(P=0.032)。雖然男性受試者在測試過程中的肌氧、攝氧量、心率不存在統(tǒng)計學上的差異，但是在身體承受極限強度的負荷上，心肺較好的受試者的肌肉對氧氣的利用能力、攝氧水平、心率指標均強于心肺較差的受試者。

在不同等級心肺耐力的女性受試者的測試過程中，心肺較好組的肌氧值明顯低于心肺較差組，并存在顯著性差異（P＜0.05），而在心率指標上并無統(tǒng)計學差異（見表7）。

表5 不同性別受試者最大攝氧量測試結果

表6 不同等級心肺耐力的男性受試者肌氧、攝氧量和心率的測試結果

表7 不同等級心肺耐力的女性受試者肌氧、攝氧量和心率的測試結果

注：*表示經(jīng)t檢驗后，不同等級心肺耐力的女性受試者的肌氧、攝氧量和心率具有統(tǒng)計學差異，P＜0.05。

2.4 每一級負荷前、后半段肌氧、攝氧量和心率的變化特征

通過每一級負荷第二分鐘的肌氧均值減去第一分鐘的肌氧均值除以第二分鐘的肌氧均值得到每一級負荷前半段肌氧的變化率，然后通過每一級負荷的第三分鐘的肌氧均值減去第二分鐘的肌氧均值除以第二分鐘的肌氧均值得到每一級負荷后半段肌氧的變化率，同理獲得攝氧量和心率的每一級負荷前、后半段的變化率。從表8可以看到，每一級遞增負荷前半段和后半段肌氧和心率的變化率均存在顯著差異，而攝氧量未見明顯差異。

表8 受試者肌氧、攝氧量和心率每級負荷前、后半段變化率

2.5 受試者肌氧變化與攝氧量、心率變化之間的相關性分析

為進一步研究肌氧變化是否與攝氧量、心率變化存在關聯(lián)，對所有受試者每級負荷下的肌氧變化分別與攝氧量、心率的變化進行Pearson相關性分析，結果見表9。結果表明，受試者肌氧的變化趨勢與攝氧量、心率的變化趨勢均呈顯著負相關（P＜0.0001），這與實驗預期結果是一致的。

表9 受試者肌氧變化與攝氧量、心率變化的相關性分析

2.6 不同性別受試者肌氧變化與攝氧量、心率變化之間的相關性分析

表10 不同性別受試者肌氧變化與攝氧量、心率變化的相關性分析

為進一步研究不同性別間的各項測試指標是否存在同樣的關聯(lián)特點，對不同性別受試者每一級負荷下的肌氧變化分別與攝氧量、心率的變化進行了Pearson相關性分析，結果見表10。結果表明，無論男性還是女性受試者，其肌氧的變化趨勢與攝氧量、心率的變化趨勢都呈顯著負相關（P＜0.0001）。

3 分析與討論

目前，已有的肌氧相關研究主要以運動員耐力訓練的相關研究居多，耐力能力可以理解為維持一定強度持續(xù)運動的能力，無論是局部的肌肉或者全身的肌肉[9]。自行車等下肢運動、耐力跑運動以及遞增負荷跑運動的研究結果均表明，通過NIRS技術測定肌氧水平是評定肌肉代謝變化，局部肌肉氧合水平有效、敏感且可靠的指標，這也為本研究的可行性奠定了基礎[10-12]。

3.1 遞增負荷試驗中肌氧、攝氧量和心率變化特征分析

心率、攝氧量作為傳統(tǒng)的評價有氧運動能力的生理指標，隨著運動負荷的增加而不斷上升。而在整個遞增負荷試驗中，隨著運動負荷的遞增，肌氧指標卻呈現(xiàn)階梯式下降的趨勢，且每一級負荷的肌氧含量與上一級負荷相比都有顯著降低（P＜0.05）。肌氧含量的持續(xù)下降說明，在遞增負荷的有氧運動中，腿部肌肉組織在不斷利用組織周圍毛細血管中的氧合血紅蛋白，被消耗的氧氣參與到線粒體能量代謝過程中，來維持遞增的運動負荷。杜卉卉利用NIRS監(jiān)測競走運動員在完成遞增負荷跑臺運動時發(fā)現(xiàn)，隨著運動強度與運動時間的增加，肌氧含量百分比逐步減少（即氧合血紅蛋白），且各個等級之間含量變化相對明顯。蔡前鑫等人在對球類運動員肌氧飽和度與全身耐力的研究中指出，隨著遞增跑運動時間的增加，受試運動員肌氧飽和度明顯下降，同時還發(fā)現(xiàn)肌氧飽和度可以用來反映運動員的有氧代謝能力[6]。這些針對專項運動員開展的肌氧監(jiān)測與本實驗研究結果一致。由此表明，肌氧監(jiān)測不僅可以應用在專業(yè)運動員的訓練監(jiān)控中，同時對于大眾健身也有一定的指導作用。

無論男性還是女性，其肌氧、攝氧量和心率的變化趨勢都符合遞增負荷運動的生理指標變化規(guī)律。在遞增負荷實驗的開始階段，男性和女性的肌氧含量都即刻下降，其中在遞增負荷的第三和第四級負荷中表現(xiàn)出明顯的性別差異（P＜0.05），此時男性肌氧下降幅度明顯大于女性，并且隨著遞增負荷試驗的持續(xù)進行，男性肌氧含量下降幅度持續(xù)增加，并于第六級負荷下降至肌氧含量的最低水平。這表示肌氧相對于運動負荷是一個靈敏的生理指標，且肌氧可以持續(xù)反映負荷強度的改變，不同性別受試者的肌氧含量都隨著運動負荷的不斷增加而逐級遞減[3]。并且隨著運動時間和負荷的增加，男性受試者的肌氧含量下降的速度與幅度都大于女性受試者，這表明男性受試者能更好地動員組織周圍血管內(nèi)的氧合血紅蛋白，來應對由于負荷強度的增加所帶來的更大的能量需求，從而能夠達到更長的負荷時間，體現(xiàn)出男性更強的有氧能力。從另一個角度可以發(fā)現(xiàn)，男性受試者由于男性肌肉的豐富程度較高，而擁有更好地利用氧的能力。

3.2 不同等級心肺耐力受試者肌氧、攝氧量和心率的變化特征分析

決定有氧能力的重要因素有肺通氣與肺換氣、心臟收縮舒張功能、血液運輸氧氣的能力、心血管調(diào)節(jié)控制機制以及肌肉接收利用氧氣的能力。其中，肺通氣與肺換氣可以通過肺活量來衡量；心臟收縮舒張功能可以通過心率來判斷；血液運輸氧的能力可以通過血紅蛋白測試來判斷；心血管調(diào)節(jié)控制機制可通過心率變異性來表達；而肌肉接收利用氧氣的能力是目前研究的最新方向[13-14]。通過對不同性別受試者的對比研究發(fā)現(xiàn)，男性受試者擁有更好的肌肉接收和利用氧的能力，而本研究去除了性別中的其他干擾因素，進一步驗證了有氧能力的強弱與肌氧的關系。男性心肺較好組與心肺較差組在肌氧、攝氧量指標上無統(tǒng)計學上的差異，而心率上雖然存在顯著差異（P＜0.05），但是只在第3、第6分鐘，沒有臨床指導意義。女性則有所不同，心肺較好組與心肺較差組在心率和攝氧量上無統(tǒng)計學差異，但在肌氧方面存在顯著差異性（P＜0.05），這說明女性不同等級的有氧能力體現(xiàn)在肌氧方面。因此，男性在提升有氧能力時，要進行全面訓練，如心肌力量、肌肉耐力等；女性在提升有氧能力時，可進行適當?shù)牧α磕土τ柧殻纳萍∪鈱ρ鯕獾睦寐?，以達到提升有氧能力的目的。

3.3 遞增負荷試驗中肌氧變化與攝氧量、心率的變化相關性分析

在遞增負荷實驗中，所有77名受試者均在實驗工作人員的鼓勵下堅持完成負荷任務，直至力竭，由此取得的實驗數(shù)據(jù)具有較高的可信度。在對每級負荷中的肌氧、攝氧量和心率的平均值進行相對應的預處理后，取肌氧含量對數(shù)與攝氧量對數(shù)進行相關分析，發(fā)現(xiàn)兩者呈顯著負相關（P＜0.0001，相關系數(shù)r=-0.47）；同理發(fā)現(xiàn)，肌氧含量與心率之間也呈顯著負相關（P＜0.0001，相關系數(shù)r=-0.33）。這說明肌氧含量可作為一種有效反映受試者有氧運動情況的監(jiān)測指標。

從上述結果可以看出，肌氧含量與攝氧量之間的相關性高于肌氧含量與心率之間的相關性，這可能是因為隨著運動負荷的增加，運動機體的各組織器官氧耗提高，呼吸系統(tǒng)即刻提高氧氣攝入來滿足體內(nèi)產(chǎn)生能量的需求；同時，由于運動負荷的增加，心率逐漸提高，心輸出量增加，從心臟主動脈輸送含氧血紅蛋白至全身時，位于受試者小腿的NIRS所監(jiān)測的肌氧含量與心率之間產(chǎn)生了一定的“時間差”，從而導致二者的相關系數(shù)略低。丁攀等人利用近紅外光譜技術對賽艇運動員的有氧能力進行研究發(fā)現(xiàn)，各氣體代謝指標的變化情況與肌氧含量變化的趨勢具有高度相關性，同時發(fā)現(xiàn)肌氧與心率的變化曲線也高度相關[15]，這與國內(nèi)外很多研究學者[11，16-17]的研究結果相一致。這進一步說明，在遞增負荷運動中，肌氧含量的變化情況與心率變化及氣體代謝變化情況顯著相關，并且肌氧作為重要的生理指標能及時準確且無創(chuàng)地反映受試者的身體代謝狀態(tài)。由于受試人群不是運動員，而是普通人群，因此對大眾健身具有重要意義。

從不同性別受試者肌氧變化與攝氧量、心率變化的相關性來看，男性與女性受試者在肌氧變化趨勢與攝氧量、心率的變化趨勢相似，并無明顯性別差異。其中，男性受試者肌氧含量與攝氧量之間存在顯著負相關（P＜0.0001，相關系數(shù)r=-0.3358）；男性肌氧含量與心率變化趨勢也呈顯著負相關（P＜0.0001，相關系數(shù)與攝氧量相同）。女性受試者的肌氧含量與攝氧量、心率之間也均呈顯著相關（P＜0.0001，相關系數(shù)分別-0.4714、-0.4638）。從實驗結果來看，女性受試者的肌氧變化趨勢與攝氧量、心率的變化趨勢之間的相關性均高于男性受試者，其原因可能與女性受試者平均完成的遞增負荷少有關。女性受試者完成遞增負荷的等級較少，運動時間較短，同時女性在運動初期即擁有較高的心率，因此女性受試者的肌氧含量變化與攝氧量、心率變化趨勢之間的相關系數(shù)更高。

4 結論

（1）在遞增負荷過程中，肌氧呈現(xiàn)階梯式下降趨勢，心率呈現(xiàn)出階梯式上升趨勢，而攝氧量呈現(xiàn)線性上升趨勢，肌氧與心率、攝氧量之間呈現(xiàn)顯著的負相關(P＜0.01)。不同性別受試者的肌氧與攝氧量、心率之間呈現(xiàn)出相同的變化趨勢與關聯(lián)性。上述結果表明，肌氧指標具備作為有氧能力評價指標的可能性。

（2）肌氧與心率在每一級負荷的前半段的變化率明顯高于后半段變化率，且在每一級負荷的后半段進入平臺期。而攝氧量在整個遞增負荷實驗中表現(xiàn)出線性上升的趨勢，這提示，相比較于心率與攝氧量，肌氧可以靈敏、實時地反映運動強度的變化情況，具備成為新的運動強度監(jiān)控指標的潛力。

（3）男性與女性不同等級有氧能力的影響因素不同，女性心肺較好的受試者在肌肉對氧氣的利用方面優(yōu)于心肺較差者，在心率、攝氧量方面沒有差別；而男性心肺較好與心肺較差的在肌氧、心率、攝氧量方面都沒有差別。因此，在大眾健身方面，女性提升有氧能力可先進行力量耐力訓練，提升肌肉對氧氣的利用率；男性無論是進行力量訓練還是慢跑等低強度的有氧訓練都可以有效提升有氧能力。

（4）肌氧是反映肌肉利用氧氣的效率，心率反映機體運輸氧氣的效率，攝氧量反映機體攝入氧氣的能力。因此，肌氧結合攝氧量、心率等生理指標可精確評估有氧能力生理學影響因素，使有氧能力訓練更加科學、更加高效。