递增负荷运动后肌氧含量和血乳酸的恢复研究

沈友青，徐国栋

1 前言

肌肉是实现人体运动的动力性器官，肌肉的代谢过程与运动能力密切相关，对运动成绩发挥首要作用[1]。对恢复期肌肉的代谢状况进行监测，可以了解机体的氧化代谢能力，并有利于运动后疲劳诊断和体能恢复的有效监控。目前，运动后血乳酸作为代谢能力反映的关键指标，其中血乳酸清除速率是评定运动机体有氧代谢能力的有效指标[3]。但由于血乳酸检测手段的有创、离体、非连续等特点，在实际应用中存在较大的局限。如何采取无损、在体、实时、连续的检测手段，对运动人体的机能状态进行有效监控，是运动生物医学监控的研究重点，是实施运动训练科学化监控的关键。近红外光谱术（Near Infrared Spectroscopy，N IRS）具有连续无损、在体实时、操作简单、分析重现性好的优点，适合在运动过程中进行长时间连续监测和多次重复性测量[7]。与传统的检测手段相比较具有不可替代的特色和优势，在临床监护和功能评定等多个领域具有广阔的应用前景，并成为当前的研究热点。该技术是基于波长700～900 nm的近红外光对人体组织具有良好的穿透特性，尤其是易于穿透体表进入到深层而实现的[2]。在近红外波段，人体组织对光的吸收体主要是来自于微细血管中的血红蛋白（Hb），Hb与O2结合后对光的吸收波谱会发生一定改变。通过动态监测骨骼肌组织中Hb光学参数的变化，可以了解组织氧供应和氧消耗的变化，进而分析不同状态下机体氧化代谢特点。继 1992年 Britton Chance[11]首次将N IRS用于划船运动员运动后股四头肌组织氧饱和度的检测，其技术特点迅速引起广大体育科学工作者的研究兴趣，NIRS被认为是运动生物医学监控中极具发展潜力的检测手段。本研究拟使用反射式双波长（850 nm、760 nm）近红外肌氧检测系统，实验小组在前期开展了该系统在耐力运动中对肌氧监测的实现及应用研究，获得了可靠的实验结果[4，9，17，19]，为进一步研究奠定了基础。目前，肌氧与血乳酸关系的研究主要集中在运动过程中肌氧含量与血乳酸拐点的一致性上[13，14，16，18]，对于恢复期肌氧含量和血乳酸的变化及其关联性研究尚未见报道。

本文研究赛艇运动员进行递增负荷运动至力竭后，肌氧恢复的动态变化和血乳酸的恢复特点，探索恢复期机体代谢变化规律。同时，将肌氧含量恢复的特征性参数与传统血乳酸指标进行对比研究，分析其关联性及其内在联系，探索肌氧参数在运动人体恢复能力和代谢能力评定应用中的可行性，以期为运动训练监控提供有效的新指标和科学化的检测手段。

2 实验对象与方法

2.1 实验对象

实验对象为武汉体育学院竞技体育学院14名男子轻量级（HPL）赛艇运动员，基本情况如表1所示，身体健康，测试当天未进行大强度运动。本研究过程获得实验对象本人同意并签订了书面同意书。

表1 本研究实验对象基本情况一览表

2.2 实验测试

2.2.1 递增负荷运动试验 GXT（Graded exercise test）

负荷工具是Concept II赛艇测功仪（美国），采用 Polar心率表（芬兰）监测心率。受试者进入实验室后静坐休息5 min开始测试，起始负荷为150 W，每3 min递增40 W，持续运动至力竭。力竭的判断标准为：主观感觉精疲力竭同时心率达到180次/min以上。停止运动后受试者均保持坐立式体位，采取静止休息的方式恢复，恢复时间持续至心率接近安静时的水平。

2.2.2 肌氧含量检测

检测系统为反射式双波长（850 nm、760 nm）近红外肌氧检测仪，该系统由华中科技大学武汉光电国家实验室研制。选取赛艇运动中主要原动肌（主动肌）股四头肌的外侧头作为检测点，连续检测运动过程中和恢复期间肌氧含量的变化。探头放置在股外侧肌肌腹的纵向平面上，光源和检测器的轴线平行于大腿。检测器用一透明塑料薄膜套住，防止汗水浸入检测器而影响检测的精度，用绷带固定检测器于皮肤上，注意绷带固定的松紧度，既要保持探头与皮肤之间的良好接触，避免在跑动中探头移动或脱落，又不能压迫肢体造成缺血。

2.2.3 血乳酸测试

测试仪器使用Lactate Pro TM测定仪（日本京都血乳酸测定仪），采集手指末梢血，采血时间为运动后即刻、第1 min、2 min、3 min……直至连续2 min出现血乳酸浓度低于上一次时停止采血，确定血乳酸的峰值（Blamax）和峰值出现的时间（t）。同时，在恢复至30 min时，再次采集末梢血测定血乳酸浓度（Bla30）。

2.3 数据统计与分析

所有数据采用 PASW Statistics 18分析软件进行统计学处理，结果用平均数±标准差（±SD）表示。采用K-S检验对参数进行分布性检验，并通过 Pearson相关系数法分析参数之间的相关性，对相关性显著的参数进一步建立线性回归方程，采用ANOVA对回归方程进行显著性检验。以P＜0.05为显著性水平，P＜0.01为非常显著水平。

3 实验结果

3.1 恢复期肌氧含量变化的特征曲线

图1为递增负荷运动时和恢复期肌氧含量的变化曲线，用氧合血红蛋白（HbO2）浓度的相对变化量表示（△[HbO2]），实际上是 HbO2相对于测量初始值的光密度的变化量（△OD）。从图 1可以看出，在运动过程中△[HbO2]随着运动负荷的增加呈逐级下降的趋势。在运动停止后（图1A点），△[HbO2]从运动停止后即刻的最低水平逐渐恢复，并达到最高点（图1B点），称为肌氧含量的恢复值，其变化幅度为 H。随后呈缓慢下降趋势并逐渐恢复到一定水平。

图1 本研究受试运动员肌氧含量变化曲线图注：A点表示运动停止即刻，B点表示△[HbO2]恢复至最高点，C点表示△[HbO2]恢复至最高点1/2的对应点。

3.2 肌氧含量恢复参数 H、TR与RHbO2各指标变化情况

对14名运动员肌氧的实测信号进行分析，根据运动后△[HbO2]的恢复值H，找到△[HbO2]恢复到最高浓度一半（H/2）时所需的时间（图1C点），即肌氧含量半恢复时 TR（图1）[12]；通过公式（1）计算出△[HbO2]的半恢复速率（Half recovery rate of muscleoxygenation，RHbO2）。

14名运动员H、TR与RHbO2变化情况如表2所示。

表2 本研究受试14名运动员肌氧变化参数H、TR与RHbO2一览表

3.3 血乳酸恢复曲线及Blamax、t、Bla30与RBla各指标的变化情况

图2为14名运动员运动后恢复期血乳酸的变化曲线，反映运动后即刻、血乳酸浓度达到峰值（Blamax）以及逐渐下降的变化趋势。从图2和表3中可以看出，运动后即刻Bla、血乳酸浓度峰值（Blamax）与峰值出现的时间（t）以及恢复半小时后血乳酸浓度（Bla30）各不相同。按照公式（2）计算出14名运动员的血乳酸清除速率（Bla eliminational rate，RBla）[6]，结果如表3所示。

图2 本研究受试14名运动员恢复期血乳酸变化曲线图

表3 本研究受试14名运动员血乳酸恢复参数Blamax、t、Bla30和RBla一览表

3.4 肌氧半恢复速率 RHbO2与血乳酸清除速率 RBla的关联性

对RHbO2和RBla进行对比研究，发现二者存在明显的相关关系（表4），r=0.791，P＜0.01。进一步建立线性回归方程，回归方程的决定系数为0.626（图3），经ANOVA检验回归方程具有显著意义（表5）。

表4 本研究RHbO2与RBla相关性分析一览表

表5 本研究回归方程显著性检验方差分析一览表

图3 本研究RHbO2与RBla的线性回归方程

4 分析与讨论

4.1 运动后肌氧恢复特征分析

人体组织中密布着大量的微血管，包括微动脉、毛细血管和微静脉，肌氧含量即为骨骼肌微血管中血红蛋白浓度相对变化的加权平均，反映组织中 Hb与氧结合及离解的动态变化[2]。在运动过程中，骨骼肌组织能量消耗增加，氧气从 HbO2解离并弥散入肌细胞参与能量物质代谢，微血管中 HbO2下降，肌氧含量出现“负平衡”。随着运动负荷的增加，O2不断解离以满足运动时肌肉组织中的大量氧耗，Hb与O2结合的程度出现与运动负荷相适应的改变，肌氧含量随着运动负荷的增加呈现逐级下降的现象。运动达到力竭时，组织微血管中 HbO2浓度达到最低水平。运动停止后，肌氧曲线从最低水平逐渐回升。肌氧的变化曲线是运动后组织局部氧化代谢水平和氧含量的恢复程度的反映。分析认为，运动后物质代谢由运动时的高水平逐渐恢复到安静状态，O2的动员和利用程度也出现与之适应性的变化，微血管中 HbO2浓度上升，肌氧含量向“正平衡”方向发展。研究发现，在一定时间段内肌氧含量的恢复曲线明显超过安静时的水平。有研究者提出，运动后肌氧含量的恢复存在超过安静时水平的现象，称为肌氧含量的“超量恢复”[10]。超量恢复是运动训练后恢复期物质代偿性变化的基本规律，本研究发现，在递增强度运动后，肌氧含量出现的该恢复现象是一种暂时性的表现，△[HbO2]恢复至最高点随后缓慢下降并逐渐恢复至安静水平。分析认为，运动停止后肌肉活动虽然停止，但机体仍处于高代谢水平，循环系统的适应性变化是仍保持高的血流供应；肌肉组织中血管处于扩张状态，大量血液供应到运动肌肉，组织微血管中的 Hb与O2进一步结合；同时，局部组织微血管中O2的供应超过肌细胞的利用能力，微静脉中△[HbO2]浓度逐渐上升，甚至超过安静时的水平，因此，出现所谓的“超量恢复”现象。当组织内环境逐步趋于稳定，微血管中 Hb与O2结合和解离达到整体的动态平衡并逐渐恢复至安静状态。

递增负荷运动后，运动员肌氧含量恢复幅度 H和半恢复时 TR各不相同。恢复曲线斜率高，恢复幅度大，则局部肌组织 HbO2发生的相对变化越大。H值反映肌肉代谢与氧传递的对照关系，当氧的供给和利用超过局部组织的代谢需要时出现“正平衡”。通过 H的变化可以反映机体的不同恢复阶段和氧化代谢变化，但并不能评价个体肌氧的恢复能力。有研究者认为，可以用肌氧含量的半恢复时TR作为评定肌氧恢复能力的参数，恢复时间短则说明恢复能力强。有氧代谢能力愈好，则恢复的时间必然愈短，肌氧恢复早[8]。笔者认为，不考虑恢复幅度，仅看恢复时间快慢不足以说明问题。肌氧含量半恢复速率RHbO2由恢复幅度和恢复时间双重因素决定，反映肌氧恢复的快慢，与机体的恢复能力密切相关。分析认为，肌氧恢复的速率主要受血液运输氧气以及局部组织动员、摄取和利用氧气的能力的影响。运动后肌氧的迅速恢复，可以满足肌肉组织中偿还氧债的需要；同时，促进代谢中间产物血乳酸的氧化利用和代谢废物的清除，为氧化代谢、能量恢复和疲劳消除提供重要保障。

4.2 恢复期血乳酸的变化特点分析

运动时骨骼肌是乳酸产生的主要场所，乳酸的生成量与运动肌纤维的类型和代谢速率密切相关。通过血乳酸的变化可以了解体内乳酸生成和代谢变化特点，作为训练强度掌握和运动员代谢能力评价的依据[3]。研究发现，运动后即刻血乳酸值存在较大个体差异。分析认为运动后血乳酸浓度高，说明运动员状态不佳或者氧化代谢能力较差。运动停止后即刻血乳酸并未达到最高值，恢复过程中Bla持续升高，经过数分钟达到峰值，这与现有的研究结果一致[5]。研究认为，运动时乳酸主要在骨骼肌中生成，需要透过肌细胞膜进入血液，肌乳酸与血乳酸之间达到浓度平衡需要4～10 min[3]。

运动后乳酸通过不同途径被清除，主要包括：转移到临近具有高细胞氧化能力的慢收缩肌纤维内氧化；随血液转运到其他低运动强度的骨骼肌和心肌内氧化；在肝内糖异生成葡萄糖，维持血糖水平和提供骨骼肌的能源物质。关于乳酸的消除，原先的观点认为，主要是乳酸在运动后运往肝脏后被代谢，但近年来运用14C示踪研究的表明，乳酸在肌肉中被氧化代谢是运动时乳酸被清除的主要途径。研究认为，乳酸的产生所导致的酸性代谢产物的堆积、机体内环境的改变，造成机能失调和工作能力下降，是诱发疲劳发生的重要因素。因此，乳酸的迅速清除有利于高强度运动时肌纤维的收缩能力的保持和机体运动能力的维持。乳酸的清除速率与机体清除乳酸的能力有关，运动后血乳酸清除速率可以反映机体的有氧代谢能力[15]。乳酸是机体氧化代谢的底物，有氧代谢能力强，产生的乳酸能迅速转运到骨骼肌或心肌中被氧化清除；乳酸的清除使机体的内环境趋于稳定，促进运动后疲劳的消除。因此，血乳酸清除速率是评价机体氧化代谢能力和疲劳消除能力的重要指标。

4.3 肌氧半恢复速率与血乳酸清除速率的关联性分析

通过上述分析，肌氧半恢复速率与血乳酸清除速率是反映机体氧化代谢能力和恢复能力的有效指标。统计分析发现，两者存在显著的正相关，且均与循环系统的运输能力、组织毛细血管网密度、肌纤维类型密切相关，从内在关联性分析存在必然的联系。组织中毛细血管丰富、血氧供应水平高、组织摄取和利用氧气的能力强，是运动后肌氧恢复和乳酸清除的保证。循环系统的运输能力强，有利于氧气运输到组织局部，促进肌氧含量的恢复；同时，将代谢产物转运和排出。乳酸的消除与收缩肌纤维的类型和代谢速率的关系密切，I型肌纤维丰富和血管网密度高，从而提高乳酸的清除速率，而I型肌纤维丰富和血管网密度高是有氧代谢能量强的一个重要因素，它属于高氧化型纤维，能加速乳酸的清除。肌氧半恢复速率高说明机体对氧的输送、动员和恢复能力强，这与局部肌肉的纤维类型也存在密切关系。I型肌纤维具有丰富的毛细血管分布，肌纤维的线粒体数量多、体积大且氧化酶活性高，蛋白含量也高，有利于运动后肌氧的迅速恢复，提升肌氧半恢复速率。肌氧的恢复和血乳酸的清除存在的影响是相互的。肌氧恢复迅速，组织中氧含量高，可以促进乳酸的氧化清除；同时乳酸的清除可以改善机体的内环境，有利于肌氧含量的恢复。

肌氧参数及近红外光谱术在运动领域中的应用尚处于探索阶段，对于该参数和技术的应用与推广必须建立在现有的指标体系基础上。通过上述研究不难发现，从理论角度分析，肌氧含量半恢复速率 RHbO2与现有指标体系中血乳酸清除速率RBla之间存在显著正相关，从运动人体科学内在机制分析也存在必然的联系，为RHbO2取代RBla提供了强有力的理论依据。从检测技术角度分析，近红外光谱术可以实现在体、实时、连续、无损检测，与传统的血乳酸检测手段相比较，具有不可替代的特色和优势，为近红外光谱术的实际应用提供了强有力的实践支撑。

5 结论

运动后肌氧含量的变化可以采用近红外光谱术进行连续、实时、动态监测。肌氧含量的恢复特点是：运动停止后，肌氧含量从最低水平逐渐回升；在一定时间段内肌氧含量的恢复程度明显超过安静时的水平；随后缓慢下降恢复至安静状态。肌氧的变化曲线是运动后组织局部氧化代谢水平和氧含量的恢复程度的客观反映。运动后即刻血乳酸呈现个体差异，可以反映运动员身体机能状况。血乳酸在运动后经过数分钟，达到峰值，随后逐渐下降。通过肌氧和血乳酸的检测，可以评价机体的恢复能力和氧化代谢能力。肌氧半恢复速率 RHbO2和血乳酸清除速率 RBla存在显著的正相关性，且存在机制上的必然联系，将RHbO2取代传统指标 RBla应用于代谢能力和恢复评价具有可行性，且具有理论与实践意义。近红外光谱术存在在体、实时、连续、无损的特点，为训练监控的科学化发展提供了强有力的检测手段，具有广阔的应用前景。

限于研究条件和实际应用中的问题，笔者认为，一些问题仍难于避免和有待探索，主要体现在：1）肌氧含量主要反映骨骼肌局部机能的变化，而血乳酸检测系末梢血液，两者检测点不一致，在两参数变化的同步性仍有待探索。2）本研究使用的对比参数有限，重点研究了肌氧与血乳酸两类指标，进一步研究过程中应考虑其他检测指标的联合应用，加强不同参数一致性分析与建模研究，为验证肌氧指标使用的科学性提供广泛的支撑。

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