递增静力性收缩中肌氧拐点与肌电活动、心率变化之间的联系

王帮德 ，田庆平 ，孙金燕 ，孙白雷 ，徐国栋 ，张 立 ，骆清铭 ，龚 辉

近红外光谱术（near infrared spectroscopy，NIRS）作为一种新的无创运动生理监测技术，在运动科学中得到了广泛应用[1]。NIRS技术可以实时监测局部肌肉中的氧合血红蛋白（HbO2）、去氧血红蛋白（Hb）和总血红蛋白（tHb）浓度的相对变化，这些参数可以反映局部肌肉的氧含量变化[1-2]。近年来，有研究联合动态性递增运动测试（如自行车运动、划船运动）及NIRS技术，发现局部肌肉肌氧变化过程存在拐点（breakpoints，Bp，又称为“阈”），被称之为肌氧拐点，并被用来反映局部肌肉的氧代谢能力[3-4]。由于肌氧拐点与乳酸阈（lactate threshold）、通气阈（gas exchange threshold）及最大摄氧量（VO2max）有显著相关性，而被提议用于有氧运动能力的预测[3]。然而，动态性运动范式调用的肌群数量多，导致心肺功能响应大，不适宜在只关注局部肌肉氧代谢能力的研究中采用，尤其是不宜在有心肺功能疾患且不能承受高强度动态运动的被试中采用。另外，动态性复杂运动与静力性收缩（如静力性等长伸膝运动）存在肌肉收缩形式、运动复杂程度上的差异，这种差异可能会导致局部肌肉生理变化上的差别。虽然已有研究在递增静力性收缩运动中利用NIRS技术去测量肌氧变化[5-6]，但是没有分析递增静力性收缩中的肌氧拐点现象。MIZUNO等人提到了递增静力性收缩过程中的肌氧拐点现象[7]，但是被试数量少（n=7），而且肌氧监测仪的探头没有放置在文献中常见的肌腹上，这可能影响其结论的普适性及可比性。因此，肌氧拐点在静力性递增运动中的存在性，需要通过进一步的试验研究来提供证据。基于“神经血管耦联”及递增静力性收缩时，心肺功能响应主要由少量局部肌肉收缩所致，研究递增静力性收缩中的肌氧变化、肌电活动及心率变化过程，有助于进一步分析静力性收缩运动中局部肌肉的氧供平衡规律及其可能的影响因素，并且不需要被试承受较高的心肺功能负荷。

本文招募武汉体育学院非体育专业的普通大学生为被试，监测其递增静力性伸膝运动过程中股外侧肌处肌氧变化过程。考虑到肌氧变化与肌肉神经肌电活动密切相关、静力性伸膝运动中心肺功能响应主要是由于静力性伸膝动作所致，我们同时还利用表面肌电技术（sEMG）和心率计监测肌电变化及心率变化过程。我们假设递增静力性伸膝运动中也存在肌氧拐点，并且肌氧拐点的出现与肌电变化、心率变化过程密切相关。

1 方 法

1.1 被试

19名男性被试均为武汉体育学院非体育专业的普通大学生，年龄、身高、体重的平均值±标准误（SE）分别是（23.3±0.3）岁、（174±1）cm、（67.7±2.0）kg。所有被试均无肌病、心肺功能疾患。试验前，获取被试填写的由当地伦理部门批准的知情同意书，并让被试熟悉试验室和测试过程。

1.2 范式

正式试验前，被试上身直立，坐在等速仪（Biodex S4，Biodex Medical Systems，Inc.，New York）上。按厂家提供的仪器操作说明，利用在胸前交叉的绑带固定被试上身，另外被试腰部也利用绑带固定。膝关节的轴与等速仪的转轴对准，膝关节呈60°（膝关节完全伸直为0°），因为此角度便于发力[8]。被试尽最大力量收缩3次，每次持续5 s，每次之间相隔2 min，最大值记为最大收缩力矩（MVC）[9]，MVC的测量与正式试验至少相隔20 min。正式试验时，被试在等速仪上静坐休息2 min，然后开始渐增肌力的单侧（右侧）等长伸膝运动。肌力起始值为10%MVC，每级增加5%MVC，每级持续时间1 min（先收缩30 s，然后放松30 s），直到力竭[7]。为使实际收缩强度与目标收缩强度尽量一致，被试通过等速仪的显示器实时查看自已的收缩强度并及时进行调整。在测试过程中，记录右侧股外侧肌处的NIRS或sEMG信号。由于NIRS探头和sEMG电极不能同时监测同一部位，所以递增等长伸膝运动测试一共进行2次，2次试验之间至少隔一天。一次试验中测量股外侧肌处NIRS信号，另外一次试验则在同一部位上测量sEMG信号，试验的次序随机。

1.3 sEMG测量

参照肌电测量指南，电极放置在右侧股外侧肌（膝关节缝上方14～18 cm[4]，右侧股骨外上髁和大转子之间距离的1/2处[10]）。在电极放置前，对被测肌肉处的皮肤进行去毛、酒精清洗，待酒精晾干后再贴肌电电极。肌电电极采用银/氯化银电极，电极间距为34 mm。肌电信号利用肌电检测仪（ME 6000，Mega Electronics Ltd.Finland）采集（共模抑制比CMRR为110 dB，噪声小于1μV），采样率为1 000 Hz，滤波器为巴特沃兹带通滤波器（20～500 Hz）。数据通过肌电仪生产商提供的MegaWin软件进行记录，并实时呈现在电脑显示器上。对肌电数据按1 s的步长进行分段，段与段之间的重叠率为75%，然后求取每个分段的均方根（root mean square，rms）值（sEMGrms），最后对每个收缩强度的肌电数据进行平均后作为该收缩强度的sEMGrms。对所有收缩强度的sEMGrms值，利用计算机自动拟合的方法[11]判断肌电拐点（见图1（b）），当两段线性拟合结果中出现的残余误差平方和最小时，相应的分界点作为肌电拐点。

图1 递增等长伸膝运动中肌氧、肌电及心率变化过程（典型被试）Figure 1 The trends of NIRS，sEMG parameters and heart rate during incremental isometric knee extensions（typical result）

1.4 NIRS测量

利用华中科技大学武汉光电国家试验室开发的连续波（continuous wave，CW）NIRS肌氧仪[12-13]监测右侧股外侧肌处的肌氧变化。肌氧仪探头包含光源和探测器。光源集成了730 nm、805 nm、850 nm三个波长的发光二级管（LED）。730 nm波长处的光主要由还原血红蛋白（Hb）吸收，850 nm波长处的光主要由氧合血红蛋白（HbO2）色团吸收。805 nm波长则是Hb和HbO2等的吸收点，所以被用来计算总的氧合血红蛋白浓度（tHb），而tHb可以用来反映血容的变化。CW-NIRS肌氧仪可以记录组织吸收和散射前后的光强，然后根据修正的比尔-朗伯定律[2，4]，获得Hb、HbO2和tHb的相对浓度变化。HbO2、Hb和tHb的相对浓度变化被分别记为Δ[HbO2]，Δ[Hb]和Δ[tHb]。另外，HbO2和Hb相对浓度变化之间的差（Δ[HbO2-Hb]）被作为肌肉氧指标（OI）[3-4]。

试验前，将肌氧仪的探头放置在肌电电极的相同位置上。探头中光源探测器距离为35 mm，探测深度约为光源探测器距离的一半[14]。肌氧仪以2.9 Hz的频率来采集NIRS信号，并设定静息时相对浓度变化值为0，所有NIRS数据以AU（arbitrary unit）为单位。对每个收缩强度的NIRS数据进行平均，作为该收缩强度的NIRS参数值。参照文献[3]，对平均后的NIRS肌氧氧指标，利用两段线性拟合，当两段拟合结果中出现的残余误差平方和最小时，相应的分界点作为肌氧拐点（OIBp，见图1（a））。

1.5 心率测量

心率（HR）由HR检测器（Suunto T6，Suunto Oy Vantaa，Filand）来采集，并以无线传输方式传送到电脑中。心率每10 s记录一次，对每个收缩强度的心率数据进行平均，作为该收缩强度下的心率。利用与判断肌氧拐点、肌电拐点类似的办法，判断心率拐点（见图 1（c））。

1.6 统计分析

除特别强调外，文章中所有结果均用平均值±标准误形式表示。相关性利用皮尔逊相关分析来评定。配对样本T检验用来对比两次测试之间的差异及不同方法获得的拐点之间的差异。除特殊规定外，显著性水平设定为P＜0.05。所有统计分析均采用SPSS软件进行。

2 结 果

2.1 两次测试中的最大力矩，最大心率

所有被试均按要求完成两次测试，由于技术原因，第二次测试中有两人的心率采集失败，导致无法判断心率拐点。所有被试的MVC为（191±9）N*m。前后两次测试过程中，被试力竭时的力矩分别为（148±7）N*m和（144±5）N*m，占最大收缩力矩的77.6%±1.8%和76.0%±1.9%。两次测试过程中所达到的最大心率分别为（127±5）bpm和（122±4）bpm。力竭时所达到的最大力矩、最大心率在两次测试之间没有显著差别（P＞0.628）。

图2 所有被试肌氧、肌电、心率之间的相关性分析Figure 2 The correlations among OI，sEMGrms and HR

2.2 肌氧、肌电、心率的变化趋势

如图1所示，在低收缩强度时，肌氧氧指标、肌电均方根值及心率都有所变化。随着收缩强度的继续增加，在高强度收缩时，肌氧氧指标、肌电均方根值及心率都出现显著的非线性增加，表现在高收缩强度时肌电均方根值、肌氧氧指标和心率的变化速率明显高于低强度时的变化速率（见图1）。肌氧氧指标和肌电均方根值之间存在显著相关性（r=-0.992，P＜0.001，见图2（a））。肌氧氧指标、肌电均方根值均与心率之间存在显著相关性（OI vs.HR：r=-0.975，P＜0.001；sEMGrms vs.HR：r=0.992，P＜0.001，见图2（b，c））。心率变化过程在两次测试之间没有显著差异（P＞0.05）。

2.3 生理拐点

肌氧拐点及肌电拐点对应的时间、力矩和心率见表1。肌氧拐点和肌电拐点出现时的力矩为46.4%±2.1%MVC和50.8%±1.9%MVC。当考虑相应的时间、力矩和心率时，肌氧拐点和肌电拐点之间没有显著差异（见表1，P＞0.05）。另外，两种局部生理拐点（OIBp和EMGBp）与相应的心率拐点都没有显著差异（见表 1，P＞0.05）。

前后两次测试过程中的心率拐点对应的收缩强度分别为49.2%±1.8%MVC和49.1%±1.4%MVC。对应的心率分别为（88±3）bpm和（86±3）bpm。两次试验过程中心率拐点之间没有显著差异（P=0.782）。

表1 肌氧拐点、肌电拐点和心率拐点对应的时间、力矩和心率Table 1 The time，torque and HR corresponding to OIBp，EMGBp and HRBp

3 讨 论

本研究对所有被试进行了递增等长伸膝运动中肌氧、肌电和心率的监测，结果显示被试力竭时的功率强度分布范围（65%～90%MVC）比 MIZUNO等人[7]报道的范围（55%～75%MVC，n=7）要宽，这可能与样本容量及被试的来源有关系，我们的被试（n=19）为体育学院非体育专业的普通大学生，而MIZUNO等人的报道中没有给出被试的来源信息。

3.1 递增等长收缩范式的可重复性

由于肌氧和肌电探头都占用一定的空间，为了检测同一部位的肌氧和肌电变化，我们分两次试验，利用相同的范式来分别测量同一肌肉处肌氧和肌电变化过程。两次试验过程中的心率变化过程之间没有显著差异（P＞0.05），且达到的最大收缩力量、最大心率两次试验间都没有显著差异（P＞0.05）。这表明了测量的可重复性好，也表明我们分析两次测量过程中分别获得的肌氧、肌电变化过程之间的联系是合理的。

3.2 生理拐点的出现及拐点间的联系

低强度收缩时（＜45%MVC），由于收缩强度小、氧供充足，肌肉中的肌纤维募集应该以慢肌纤维为主。肌肉收缩会对血管造成轻微挤压，对血流的阻碍较小，而且肌肉中的血流会因压力反射而得到增加[15-16]，同时HR的增加及收缩过程中肌肉中的血管旁路的启用会为外周肌肉输运充足的氧，这些可能的影响最终导致局部肌肉中的氧供平衡得以继续维持而没有出现肌肉氧指标的显著下降。高强度收缩时（＞45%MVC），由于慢肌纤维的数量有限，及部分慢肌纤维在前期的间隙等长收缩过程中的疲劳，大量肌电振幅和频率更高的快肌纤维将被募集，使得肌电幅值开始大量增加。快肌纤维主要以糖酵解供能为主，于是慢肌纤维持续工作和快肌纤维的更多募集，都会导致新陈代谢物质，尤其是酸类物质的堆积，堆积的酸类物质会通过波尔效应进一步促进HbO2的解离[17]。同时，高强度的肌肉收缩进一步限制局部肌肉中的血流，使得进一步增加的心率仍不能为局部肌肉提供足够的氧，最终导致局部肌肉中氧供平衡被打破——肌氧氧指标在高强度收缩时急剧下降（血容没有显著下降，见图1（a）），从而导致肌氧氧指标拐点的出现。氧供平衡的打破，会导致募集更多的快肌纤维、加速肌电幅值的增加和酸类物质积聚，从而出现肌电拐点。新陈代谢物质的堆积会使血液中酸的浓度增加，刺激中枢神经系统，导致心率显著增加，从而导致心率拐点的出现。

结果中肌氧拐点、肌电拐点、心率拐点三者之间没有显著差别（见表1）。随着收缩强度的增加，产生力量时新陈代谢所需要的消耗，如对氧的需求会不断增加[6]。肌肉内的新陈代谢响应会从早期的以有氧代谢为主，转变到极大地依赖于糖酵解供能，并伴随着高运动强度时出现的新陈代谢物质的堆积和疲劳过程[18]。核磁共振谱研究结果表明，在静力性递增运动过程中，肌肉中的氢离子浓度以及反映供能状态的无机磷/磷酸肌酸比率（[Pi]/[PCr]）在40%～50%MVC左右出现拐点[18]。另外，肌肉疲劳会伴随肌肉神经电活动的变化，有文献提到递增等长收缩中股外侧肌在40%MVC时出现肌电幅值的非线性增加[19]。与这些生理拐点（或非线性变化过程）一致的是，本研究中肌氧拐点、肌电拐点和心率拐点出现时的收缩强度均在40%～50%MVC左右。结果中肌氧氧指标、肌电均方根值和心率三者之间呈现的显著相关性表明，当三者之一出现拐点现象，另外二者均应存在类似拐点现象。另外，肌氧拐点、肌电拐点反映的都是局部肌肉的生理拐点现象，因此两者之间没有显著差异是合理的。本研究中的递增静力性收缩中，由于只涉及单侧伸膝运动，身体其它部位的参与程度低，所以心肺功能的改变主要由于单侧伸膝运动引起，因此局部肌肉的肌氧拐点和肌电拐点均与全身性的心率拐点之间没有显著差别，也是合理的。

本研究联合NIRS技术和递增静力性伸膝运动范式，发现递增等容收缩过程中参与运动的局部肌肉处也存在肌氧拐点，并得到了与之类似的肌电拐点和心率拐点的佐证。利用NIRS技术测量最大递增运动过程中局部肌肉的肌氧拐点，可能用于评估局部肌肉的氧代谢能力、对比肌肉之间氧代谢能力的匹配程度[4]、甚至进行全面的有氧运动能力评估[3，12]，但以往的研究涉及的运动主要为自行车运动等动态运动[3，11-12，20]。采用动态运动（尤其是最大递增动态运动）研究局部肌肉肌氧拐点，会导致心肺功能负荷剧增甚至接近人体承受能力的上限。承受过高的心肺功能负荷可能会给人体带来不利甚至危险，在心肺功能较弱（或有心肺功能疾患）的被试中应当避免高强度动态运动[21-22]。虽然本研究中高收缩强度时的心率增加速率相对低收缩强度时的心率增加速率显著提高（心率有增加但仍在90 bpm以下），而且心率在力竭时达到了125 bpm左右，但是力竭时的心率远远小于最大递增动态运动中可能达到的年龄预测最大心率[4]，主要原因是涉及的运动仅为静力性单侧伸膝运动，不会导致过高的心肺功能负荷。联合NIRS技术和递增静力性收缩运动范式的测量方法，可以在避免承受过高心肺功能负荷的情况下测量局部肌肉的生理拐点，有望让NIRS局部肌肉肌氧拐点的测量在心肺功能较弱（或不便于承受过高心肺功能负荷）的群体中得以实现，这有利于对这些群体进行肌肉氧代谢能力评估，并为NIRS技术在运动科学中的推广提供更多理论支持。

4 结 论

结果表明，在静力性递增伸膝运动中肌肉神经肌电活动与肌肉氧供存在显著相关性。递增等长伸膝运动中股外侧肌处存在肌氧拐点和肌电拐点，这些局部肌肉处的生理拐点均与心率拐点没有显著差异，表明静力性递增伸膝运动中，运动肌中肌氧变化过程也存在拐点现象，并且肌氧拐点与肌电幅度、心率的显著增加密切相关。联合递增静力性收缩运动范式及NIRS技术，有望成为研究局部肌肉氧代谢能力并避免过高心肺功能负荷的一种新途径。

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