基于近红外光谱技术的个体无氧阈测试算法

梁景超



基于近红外光谱技术的个体无氧阈测试算法

梁景超

本研究诣在提出并检验通过近红外光谱技术测试运动员个体无氧阈的测试算法的合理性。以18名吉林省某足球俱乐部运动员为实验对象，在跑台上进行递增负荷测试，期间采集受试者肌肉血氧相关参数与血乳酸。测试结束后，将基于近红外光谱技术的无氧阈测试算法找出的受试者个体无氧阈，与通过血乳酸动力学变化曲线图上找出的受试者的个体无氧阈相比对，以检验该测试算法的合理性。结果发现，该测试算法找出的受试者个体无氧阈与通过血乳酸动力学变化曲线图上找出的个体无氧阈相一致，说明该测试算法是合理的。

近红外光谱技术；个体无氧阈；测试算法

目前，国内外较为广泛地认为乳酸无氧阈大小可以用血乳酸浓度达到4mmol/L时的运动强度、功率、耗氧量或最大摄氧量百分比来表示。然而有研究表明[1]，乳酸代谢存在较大的个体差异，递增负荷运动时血乳酸急剧上升时的乳酸水平在1.4～7.5mmol/L之间，而且不同运动项目、不同运动员及相同运动员的不同训练阶段，乳酸阈值都是变动的，需要根据不同运动员的具体情况，提供针对性的有氧训练计划，根据个体无氧阈的强度选择最佳的训练强度。

通过近红外光谱技术可以监测到受试者在进行递增负荷至力竭期间氧合血红蛋白含量出现较大幅度下降的现象，有学者称其含量开始大幅度下降的点为“拐点”，并用实验证明拐点的出现与无氧阈的出现高度相关，可以尝试利用拐点来替代操作繁琐、有创的个体无氧阈测试方法，进行个体有氧能力和运动训练效果的生理学评价。而拐点的确定较为主观，因此本研究诣在提出并检验通过近红外光谱技术测试运动员个体无氧阈的测试算法的合理性。

1 实验对象与方法

1.1 实验对象

以18名吉林省某足球俱乐部运动员为实验对象，受试者均为男性，对本实验知情同意。

1.2 实验仪器

荷兰产PortaLite实时无线血氧监测系统、芬兰产Polar团队系统Team2、德国产血乳酸盐分析仪EKF-C-LINE、德国产h/p/cosmos专业级运动跑台。

1.3 实验方法

1.2.1 实验测试方案

首先让受试者在跑台上进行15min热身活动，速度为9km/h。休息5min后，取受试者静息状态下指尖血测试血乳酸，然后以9km/h为初始速度，每3min递增1km/h的递增方案进行递增负荷测试，每级负荷结束后让受试者双脚站在跑台的两侧并取指尖血测试血乳酸，取后继续进行测试，直至受试者主观力竭。力竭后2min、5min、10min取受试者指尖血测试血乳酸。

1.2.2 肌肉血氧相关参数的测定

使用荷兰产PortaLite实时无线血氧监测系统监测肌肉血氧相关参数，测试时选取股直肌为待测肌肉，待测点的位置为股直肌起止点连线的中点处。将传感器探头的纵轴平行于股直肌放置在待测点处，为防止汗水浸入探头影响监测精度，在探头外包裹一层透光塑料薄膜,并用弹性绷带覆盖并固定住探头。固定弹性绷带的松紧度要适度,既要保持探头与皮肤之间的良好接触,避免在运动过程中因探头移动或脱落而造成数据不准确,又不能压迫肢体造成缺血，这样会造成测试指标的变化不明显[2]。每次测试前均需进行监测系统的初始化,约2分钟左右出现稳定值后再开始正式记录肌肉血氧相关参数，采样频率设置为1Hz，实验数据经高斯法(Gaussian)处理。

1.2.3 个体无氧阈测试算法

由于递增负荷测试每级3min，PortaLite实时无线血氧监测系统每1秒记录一次参数值，所以将每级负荷的180个O2Hb的参数导入SPSS17.0中，然后将相邻两级的O2Hb进行组间相关性分析，相关系数会先呈上升趋势然后出现一个下降趋势，开始下降的第一个系数所对应的两个负荷等级，后者即为受试者个体无氧阈。同时，根据各个时刻测试的乳酸值绘出受试者血乳酸动力学变化曲线，并在曲线上标定受试者个体无氧阈，从而检验两种测试方法找出的受试者个体无氧阈是否一致。

2 测试结果

图一 受试者A递增负荷测试血乳酸动力学变化曲线

图一为受试者A递增负荷测试血乳酸动力学变化曲线，通过分析可知该名受试者的个体无氧阈出现在第4级负荷，个体乳酸阈为4.9mmol/L。

表1 受试者A递增负荷测试相邻两级O2Hb参数相关性

表1为受试者A递增负荷测试期间相邻两级负荷O2Hb参数相关性，第1级与第2级负荷O2Hb参数相关性为0.78，第2级与第3级为0.802，第3级与第4级为0.764，第4级与第5级为0.912，第5级与第6级为0.866，第6级与第7级为0.842。通过分析可知该名受试者的个体无氧阈出现在第4级负荷。

3 分析与讨论

监控运动时骨骼肌内氧供应与氧消耗的状况对于了解运动时人体的身体机能状况、科学指导运动训练、评价训练效果等有着重要的参考价值。进入血液的O2只有约1.5%溶于血浆，98.5%进入红细胞并与血红蛋白(Hb)结合形成O2Hb[3]。在骨骼肌中，O2Hb释放出O2后，能够有效地接受[H]+形成HHb。当血液流经肺部时，HHb从肺泡中摄取O2形成O2Hb和[H]+，O2Hb会再次随着血液到达骨骼肌中为骨骼肌提供氧气。而波长为700900nm的近红外光对人体有良好的穿透性，此波段中O2Hb和HHb是主要的吸收体，且二者的吸收谱存在显著差异[4]，因此可以应用近红外光谱技术实时监测运动骨骼肌在不同负荷运动时这两项参数含量的变化，使人体骨骼肌内的氧供应与氧消耗状况可以通过无创的方法进行监测，为监测人体运动中骨骼肌内的氧供状态提供了新的途径[5]。

在递增负荷测试中，血乳酸浓度随运动负荷的递增而呈逐渐增加的趋势，当运动强度达到某一负荷时，血乳酸浓度急剧升高，我们将血乳酸浓度急剧升高的起始点称为乳酸无氧阈。乳酸无氧阈标志着运动员的机体从有氧代谢状态转变成为无氧代谢状态。

有研究称[6]，运动员在功率自行车上做递增负荷测试期间，通过近红外光谱可以检测到其股直肌的O2Hb会出现迅速下降的现象，有学者称其含量明显下降的点为“拐点”,并用实验证明拐点的出现与无氧阈的出现高度相关。但通过跑台做递增负荷测试，并不能轻易找到“拐点”，这可能与运动形式不同以及每级负荷结束后受试者需要静止采集指尖血有关。

“拐点”出现之前，受试运动员体内以有氧供能方式为主。当进行低负荷运动时，其骨骼肌主要募集的是慢肌纤维，慢肌纤维中储存有一定量的氧，肌红蛋白的含量也比较丰富，毛细血管网较为发达，线粒体体积大而且多，线粒体中的有氧代谢酶活性较强，因而慢肌纤维具有较强的有氧代谢能力，使得O2Hb含量下降较少[3]。随着运动强度的加大，骨骼肌募集的快肌纤维开始逐渐增多，骨骼肌肌细胞内外乳酸等各种酸性代谢产物的显著增多并开始积累,PCO2和[H]+浓度增高,由于波尔效应使血红蛋白对O2的亲和力下降,氧离曲线右移，从而释放出更多的O2，透入肌肉的近红外光便检测到HHb含量增多而O2Hb含量显著减少[8]。

所以通过对“拐点”的分析可知，无氧阈前后O2Hb的含量会出现较大幅度的变化，而无氧阈之前O2Hb的含量变化幅度较小，因此可以将各级负荷期间的O2Hb参数进行采集并做组间相关性分析，出现无氧阈的级数与前一级O2Hb参数相关性相对其它相邻两级负荷的O2Hb参数的相关性较小，所以可以用此方法测试运动员个体无氧阈。同时通过血乳酸的值绘出的血乳酸动力学曲线上的个体无氧阈进行验证发现两种测试方法的结果是一致的，说明该数据处理方法是合理的。

4 结论

通过将受试运动员递增负荷测试期间相邻两级的O2Hb参数进行采集并做组间相关性分析，可以测试出受试运动员的个体无氧阈，该结果与通过测试递增负荷各个时刻的乳酸值得出的受试者个体无氧阈相一致，说明该测试算法是合理的。

[1] 林文弢,鞠丽丽.个体乳酸阈与运动训练[J].中国体育教练员,2015,(3):16-18.

[2] 何琳,徐飞,马国东,李岳,腾轶超.急性低氧对自行车运动员递增负荷运动时肌氧饱和度的影响[J].天津体育学院学报,2010,25(6):478-481.

[3] 王瑞元.运动生理学[M].北京：人民体育出版社,2011.

[4] 蔡前鑫,赵之光,魏文哲.肌氧饱和度与局部肌肉耐力的关系探究[J].山东体育科技,2015,37(2):84-86.

[5] 王国祥,黄何平，等.速运动过程中肌放电量与肌氧含量的变化特征[J].体育学刊,2005,12(1):53-55.

[6] 张立,宋高晴.递增强度运动过程中NIRS肌氧拐点在评价人体最大有氧能力中的作用[J].武汉体育学院学报,2011,45(1):33-39.

[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

吉林体育学院研究生科研创新基金资助项目(项目编号：YC2016029)

梁景超(1993-)，男，辽宁沈阳人，在读硕士研究生，研究方向：体育教育训练学。

吉林体育学院，吉林 长春 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