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(shù)（near infrared spectroscopy，NIRS）作為一種新的無創(chuàng)運(yùn)動生理監(jiān)測技術(shù)，在運(yùn)動科學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。NIRS技術(shù)可以實(shí)時監(jiān)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(shù)可以反映局部肌肉的氧含量變化[1-2]。近年來，有研究聯(lián)合動態(tài)性遞增運(yùn)動測試（如自行車運(yùn)動、劃船運(yùn)動）及NIRS技術(shù)，發(fā)現(xiàn)局部肌肉肌氧變化過程存在拐點(diǎn)（breakpoints，Bp，又稱為“閾”），被稱之為肌氧拐點(diǎn)，并被用來反映局部肌肉的氧代謝能力[3-4]。由于肌氧拐點(diǎn)與乳酸閾（lactate threshold）、通氣閾（gas exchange threshold）及最大攝氧量（VO2max）有顯著相關(guān)性，而被提議用于有氧運(yùn)動能力的預(yù)測[3]。然而，動態(tài)性運(yùn)動范式調(diào)用的肌群數(shù)量多，導(dǎo)致心肺功能響應(yīng)大，不適宜在只關(guān)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(qiáng)度動態(tài)運(yùn)動的被試中采用。另外，動態(tài)性復(fù)雜運(yùn)動與靜力性收縮（如靜力性等長伸膝運(yùn)動）存在肌肉收縮形式、運(yùn)動復(fù)雜程度上的差異，這種差異可能會導(dǎo)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(yùn)動中利用NIRS技術(shù)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(diǎn)現(xiàn)象。MIZUNO等人提到了遞增靜力性收縮過程中的肌氧拐點(diǎn)現(xiàn)象[7]，但是被試數(shù)量少（n=7），而且肌氧監(jiān)測儀的探頭沒有放置在文獻(xiàn)中常見的肌腹上，這可能影響其結(jié)論的普適性及可比性。因此，肌氧拐點(diǎn)在靜力性遞增運(yùn)動中的存在性，需要通過進(jìn)一步的試驗研究來提供證據(jù)。基于“神經(jīng)血管耦聯(lián)”及遞增靜力性收縮時，心肺功能響應(yīng)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(jìn)一步分析靜力性收縮運(yùn)動中局部肌肉的氧供平衡規(guī)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(fù)荷。

本文招募武漢體育學(xué)院非體育專業(yè)的普通大學(xué)生為被試，監(jiān)測其遞增靜力性伸膝運(yùn)動過程中股外側(cè)肌處肌氧變化過程。考慮到肌氧變化與肌肉神經(jīng)肌電活動密切相關(guān)、靜力性伸膝運(yùn)動中心肺功能響應(yīng)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(shù)（sEMG）和心率計監(jiān)測肌電變化及心率變化過程。我們假設(shè)遞增靜力性伸膝運(yùn)動中也存在肌氧拐點(diǎn)，并且肌氧拐點(diǎn)的出現(xiàn)與肌電變化、心率變化過程密切相關(guān)。

1 方 法

1.1 被試

19名男性被試均為武漢體育學(xué)院非體育專業(yè)的普通大學(xué)生，年齡、身高、體重的平均值±標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)?shù)貍惱聿块T批準(zhǔn)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(guān)節(jié)的軸與等速儀的轉(zhuǎn)軸對準(zhǔn)，膝關(guān)節(jié)呈60°（膝關(guān)節(jié)完全伸直為0°），因為此角度便于發(fā)力[8]。被試盡最大力量收縮3次，每次持續(xù)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(cè)（右側(cè)）等長伸膝運(yùn)動。肌力起始值為10%MVC，每級增加5%MVC，每級持續(xù)時間1 min（先收縮30 s，然后放松30 s），直到力竭[7]。為使實(shí)際收縮強(qiáng)度與目標(biāo)收縮強(qiáng)度盡量一致，被試通過等速儀的顯示器實(shí)時查看自已的收縮強(qiáng)度并及時進(jìn)行調(diào)整。在測試過程中，記錄右側(cè)股外側(cè)肌處的NIRS或sEMG信號。由于NIRS探頭和sEMG電極不能同時監(jiān)測同一部位，所以遞增等長伸膝運(yùn)動測試一共進(jìn)行2次，2次試驗之間至少隔一天。一次試驗中測量股外側(cè)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(jī)。

1.3 sEMG測量

參照肌電測量指南，電極放置在右側(cè)股外側(cè)?。ㄏリP(guān)節(jié)縫上方14～18 cm[4]，右側(cè)股骨外上髁和大轉(zhuǎn)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(jìn)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(shù)據(jù)通過肌電儀生產(chǎn)商提供的MegaWin軟件進(jìn)行記錄，并實(shí)時呈現(xiàn)在電腦顯示器上。對肌電數(shù)據(jù)按1 s的步長進(jìn)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(qiáng)度的肌電數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后作為該收縮強(qiáng)度的sEMGrms。對所有收縮強(qiáng)度的sEMGrms值，利用計算機(jī)自動擬合的方法[11]判斷肌電拐點(diǎn)（見圖1（b）），當(dāng)兩段線性擬合結(jié)果中出現(xiàn)的殘余誤差平方和最小時，相應(yīng)的分界點(diǎn)作為肌電拐點(diǎn)。

圖1 遞增等長伸膝運(yùn)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(xué)武漢光電國家試驗室開發(fā)的連續(xù)波（continuous wave，CW）NIRS肌氧儀[12-13]監(jiān)測右側(cè)股外側(cè)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(fā)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(tuán)吸收。805 nm波長則是Hb和HbO2等的吸收點(diǎn)，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(qiáng)，然后根據(jù)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(biāo)（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(shè)定靜息時相對濃度變化值為0，所有NIRS數(shù)據(jù)以AU（arbitrary unit）為單位。對每個收縮強(qiáng)度的NIRS數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，作為該收縮強(qiáng)度的NIRS參數(shù)值。參照文獻(xiàn)[3]，對平均后的NIRS肌氧氧指標(biāo)，利用兩段線性擬合，當(dāng)兩段擬合結(jié)果中出現(xiàn)的殘余誤差平方和最小時，相應(yīng)的分界點(diǎn)作為肌氧拐點(diǎn)（OIBp，見圖1（a））。

1.5 心率測量

心率（HR）由HR檢測器（Suunto T6，Suunto Oy Vantaa，F(xiàn)iland）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(qiáng)度的心率數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，作為該收縮強(qiáng)度下的心率。利用與判斷肌氧拐點(diǎn)、肌電拐點(diǎn)類似的辦法，判斷心率拐點(diǎn)（見圖 1（c））。

1.6 統(tǒng)計分析

除特別強(qiáng)調(diào)外，文章中所有結(jié)果均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤形式表示。相關(guān)性利用皮爾遜相關(guān)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(diǎn)之間的差異。除特殊規(guī)定外，顯著性水平設(shè)定為P＜0.05。所有統(tǒng)計分析均采用SPSS軟件進(jìn)行。

2 結(jié) 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(shù)原因，第二次測試中有兩人的心率采集失敗，導(dǎo)致無法判斷心率拐點(diǎn)。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(dá)到的最大心率分別為（127±5）bpm和（122±4）bpm。力竭時所達(dá)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(guān)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(qiáng)度時，肌氧氧指標(biāo)、肌電均方根值及心率都有所變化。隨著收縮強(qiáng)度的繼續(xù)增加，在高強(qiáng)度收縮時，肌氧氧指標(biāo)、肌電均方根值及心率都出現(xiàn)顯著的非線性增加，表現(xiàn)在高收縮強(qiáng)度時肌電均方根值、肌氧氧指標(biāo)和心率的變化速率明顯高于低強(qiáng)度時的變化速率（見圖1）。肌氧氧指標(biāo)和肌電均方根值之間存在顯著相關(guān)性（r=-0.992，P＜0.001，見圖2（a））。肌氧氧指標(biāo)、肌電均方根值均與心率之間存在顯著相關(guān)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(diǎn)

肌氧拐點(diǎn)及肌電拐點(diǎn)對應(yīng)的時間、力矩和心率見表1。肌氧拐點(diǎn)和肌電拐點(diǎn)出現(xiàn)時的力矩為46.4%±2.1%MVC和50.8%±1.9%MVC。當(dāng)考慮相應(yīng)的時間、力矩和心率時，肌氧拐點(diǎn)和肌電拐點(diǎn)之間沒有顯著差異（見表1，P＞0.05）。另外，兩種局部生理拐點(diǎn)（OIBp和EMGBp）與相應(yīng)的心率拐點(diǎn)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(diǎn)對應(yīng)的收縮強(qiáng)度分別為49.2%±1.8%MVC和49.1%±1.4%MVC。對應(yīng)的心率分別為（88±3）bpm和（86±3）bpm。兩次試驗過程中心率拐點(diǎn)之間沒有顯著差異（P=0.782）。

表1 肌氧拐點(diǎn)、肌電拐點(diǎn)和心率拐點(diǎn)對應(yīng)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(jìn)行了遞增等長伸膝運(yùn)動中肌氧、肌電和心率的監(jiān)測，結(jié)果顯示被試力竭時的功率強(qiáng)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(guān)系，我們的被試（n=19）為體育學(xué)院非體育專業(yè)的普通大學(xué)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(fù)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(dá)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(fù)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(lián)系是合理的。

3.2 生理拐點(diǎn)的出現(xiàn)及拐點(diǎn)間的聯(lián)系

低強(qiáng)度收縮時（＜45%MVC），由于收縮強(qiáng)度小、氧供充足，肌肉中的肌纖維募集應(yīng)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(yùn)充足的氧，這些可能的影響最終導(dǎo)致局部肌肉中的氧供平衡得以繼續(xù)維持而沒有出現(xiàn)肌肉氧指標(biāo)的顯著下降。高強(qiáng)度收縮時（＞45%MVC），由于慢肌纖維的數(shù)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?？旒±w維主要以糖酵解供能為主，于是慢肌纖維持續(xù)工作和快肌纖維的更多募集，都會導(dǎo)致新陳代謝物質(zhì)，尤其是酸類物質(zhì)的堆積，堆積的酸類物質(zhì)會通過波爾效應(yīng)進(jìn)一步促進(jìn)HbO2的解離[17]。同時，高強(qiáng)度的肌肉收縮進(jìn)一步限制局部肌肉中的血流，使得進(jìn)一步增加的心率仍不能為局部肌肉提供足夠的氧，最終導(dǎo)致局部肌肉中氧供平衡被打破——肌氧氧指標(biāo)在高強(qiáng)度收縮時急劇下降（血容沒有顯著下降，見圖1（a）），從而導(dǎo)致肌氧氧指標(biāo)拐點(diǎn)的出現(xiàn)。氧供平衡的打破，會導(dǎo)致募集更多的快肌纖維、加速肌電幅值的增加和酸類物質(zhì)積聚，從而出現(xiàn)肌電拐點(diǎn)。新陳代謝物質(zhì)的堆積會使血液中酸的濃度增加，刺激中樞神經(jīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致心率顯著增加，從而導(dǎo)致心率拐點(diǎn)的出現(xiàn)。

結(jié)果中肌氧拐點(diǎn)、肌電拐點(diǎn)、心率拐點(diǎn)三者之間沒有顯著差別（見表1）。隨著收縮強(qiáng)度的增加，產(chǎn)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(nèi)的新陳代謝響應(yīng)會從早期的以有氧代謝為主，轉(zhuǎn)變到極大地依賴于糖酵解供能，并伴隨著高運(yùn)動強(qiáng)度時出現(xiàn)的新陳代謝物質(zhì)的堆積和疲勞過程[18]。核磁共振譜研究結(jié)果表明，在靜力性遞增運(yùn)動過程中，肌肉中的氫離子濃度以及反映供能狀態(tài)的無機(jī)磷/磷酸肌酸比率（[Pi]/[PCr]）在40%～50%MVC左右出現(xiàn)拐點(diǎn)[18]。另外，肌肉疲勞會伴隨肌肉神經(jīng)電活動的變化，有文獻(xiàn)提到遞增等長收縮中股外側(cè)肌在40%MVC時出現(xiàn)肌電幅值的非線性增加[19]。與這些生理拐點(diǎn)（或非線性變化過程）一致的是，本研究中肌氧拐點(diǎn)、肌電拐點(diǎn)和心率拐點(diǎn)出現(xiàn)時的收縮強(qiáng)度均在40%～50%MVC左右。結(jié)果中肌氧氧指標(biāo)、肌電均方根值和心率三者之間呈現(xiàn)的顯著相關(guān)性表明，當(dāng)三者之一出現(xiàn)拐點(diǎn)現(xiàn)象，另外二者均應(yīng)存在類似拐點(diǎn)現(xiàn)象。另外，肌氧拐點(diǎn)、肌電拐點(diǎn)反映的都是局部肌肉的生理拐點(diǎn)現(xiàn)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(cè)伸膝運(yùn)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(cè)伸膝運(yùn)動引起，因此局部肌肉的肌氧拐點(diǎn)和肌電拐點(diǎn)均與全身性的心率拐點(diǎn)之間沒有顯著差別，也是合理的。

本研究聯(lián)合NIRS技術(shù)和遞增靜力性伸膝運(yùn)動范式，發(fā)現(xiàn)遞增等容收縮過程中參與運(yùn)動的局部肌肉處也存在肌氧拐點(diǎn)，并得到了與之類似的肌電拐點(diǎn)和心率拐點(diǎn)的佐證。利用NIRS技術(shù)測量最大遞增運(yùn)動過程中局部肌肉的肌氧拐點(diǎn)，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(jìn)行全面的有氧運(yùn)動能力評估[3，12]，但以往的研究涉及的運(yùn)動主要為自行車運(yùn)動等動態(tài)運(yùn)動[3，11-12，20]。采用動態(tài)運(yùn)動（尤其是最大遞增動態(tài)運(yùn)動）研究局部肌肉肌氧拐點(diǎn)，會導(dǎo)致心肺功能負(fù)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(fù)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(yīng)當(dāng)避免高強(qiáng)度動態(tài)運(yùn)動[21-22]。雖然本研究中高收縮強(qiáng)度時的心率增加速率相對低收縮強(qiáng)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(dá)到了125 bpm左右，但是力竭時的心率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最大遞增動態(tài)運(yùn)動中可能達(dá)到的年齡預(yù)測最大心率[4]，主要原因是涉及的運(yùn)動僅為靜力性單側(cè)伸膝運(yùn)動，不會導(dǎo)致過高的心肺功能負(fù)荷。聯(lián)合NIRS技術(shù)和遞增靜力性收縮運(yùn)動范式的測量方法，可以在避免承受過高心肺功能負(fù)荷的情況下測量局部肌肉的生理拐點(diǎn)，有望讓NIRS局部肌肉肌氧拐點(diǎn)的測量在心肺功能較弱（或不便于承受過高心肺功能負(fù)荷）的群體中得以實(shí)現(xiàn)，這有利于對這些群體進(jìn)行肌肉氧代謝能力評估，并為NIRS技術(shù)在運(yùn)動科學(xué)中的推廣提供更多理論支持。

4 結(jié) 論

結(jié)果表明，在靜力性遞增伸膝運(yùn)動中肌肉神經(jīng)肌電活動與肌肉氧供存在顯著相關(guān)性。遞增等長伸膝運(yùn)動中股外側(cè)肌處存在肌氧拐點(diǎn)和肌電拐點(diǎn)，這些局部肌肉處的生理拐點(diǎn)均與心率拐點(diǎn)沒有顯著差異，表明靜力性遞增伸膝運(yùn)動中，運(yùn)動肌中肌氧變化過程也存在拐點(diǎn)現(xiàn)象，并且肌氧拐點(diǎn)與肌電幅度、心率的顯著增加密切相關(guān)。聯(lián)合遞增靜力性收縮運(yùn)動范式及NIRS技術(shù)，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(fù)荷的一種新途徑。

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