近红外光谱技术在短道速度滑冰运动员无氧阈训练中应用效果的研究

梁景超

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以20名运动等级为国家二级的短道速度滑冰运动员作为实验的研究对象，其中10名为男性短道速度滑冰运动员，10名为女性短道速度滑冰运动员。将20名短道速度滑冰运动员随机分为2组，每组由5名男性短道速度滑冰运动员和5名女性短道速度滑冰运动员组成，分别为实验组与对照组。受试者均无疾病，对本实验知情同意。

1.2 仪器与设备

荷兰产PortaLite实时无线血氧监测系统、芬兰产Polar团队系统Team2、瑞典产Monark 839E功率自行车、德国产EKF lactate scout便携式乳酸测定仪。

1.3 实验法

1.3.1 实验方案的设计

由于功率自行车训练属于短道速度滑冰运动员在非冰期的主要耐力训练手段，且非常接近冰上的专项动作特点，因此本实验选择使用Monark 839E功率自行车进行递增负荷测试。测试前所有受试者先进行10分钟功率为90W，转数为70rpm的热身，休息3到5分钟后，以功率为90W，转数为70rpm的初始负荷，每3分钟递增35W的方式作为递增方案。实验组受试运动员持续运动到力竭，力竭标准要求受试运动员不能继续运动，虽然鼓励仍不能坚持或本人伸手示意停止则实验结束，实验全程记录肌肉血氧相关参数和心率，递增负荷测试后对实验数据进行分析，找出拐点所对应的时间与心率，并将该心率视为实验组运动员无氧阈强度对应的心率。对照组在每级负荷结束时即刻采集指尖血测血乳酸进行乳酸测试，并记录对应的心率及功率，测试后对数据进行分析找出血乳酸浓度为4mmol/L所对应的功率与心率。然后两组受试者按照各自无氧阈强度所对应的心率进行为期4周无氧阈强度的功率自行车训练，每周进行2次，每次总训练时间为30分钟，分成2组进行。4周后在同等条件下重复递增负荷测试，分析两种训练效果的差异。

1.3.2 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，测试时选取蹬踏功率自行车训练时的主动肌——股外侧肌为待测肌肉，待测点的位置为右腿股外侧肌肌腹。将传感器探头的纵轴平行于股外侧肌放置在待测点处，为防止汗水浸入探头影响监测精度，在探头与大腿皮肤之间贴一层透光塑料薄膜,用黑色布料覆盖住待测位置，并用弹性绷带固定住探头。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[16,17]。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10Hz，实验数据经高斯法(Gaussian)处理。

1.4 数理统计法

运用Microsoft Excel 2016软件完成实验所需要的各种图表，运用SPSS19.0软件对相关数据进行统计学分析，得出的测试数据均用±SD的形式表示。分别对实验组与对照组运动员的两次递增负荷测试数据进行配对样本-T检验，对两组间运动员的两次递增负荷测试数据进行独立样本-T检验。取P<0.05为具有显著性差异，P<0.01为具有非常显著性差异。

2 实验结果

2.1 递增负荷测试期间肌肉血氧相关参数的变化

图1 A运动员4周前递增负荷测试期间肌肉血氧相关参数的变化图

图1和图2是实验组A运动员两次递增负荷测试期间肌肉血氧相关参数的变化图，图中的线从上至下分别代表脱氧血红蛋白(HHb)含量变化值、总血红蛋白(tHb)含量变化值和氧合血红蛋白(O2Hb)含量变化值。从图中可以看到A运动员第一次递增负荷测试时，O2Hb含量变化值在大约第433s处出现拐点。经过4周的乳酸阈强度的训练后，A运动员在进行第二次递增负荷测试时，拐点出现在大约第515s处，相对第一次延后了约82s。

2.2 实验组两次递增负荷测试期间拐点出现的时间与对应心率

表1反映了实验组10名短道速度滑冰运动员两次递增负荷测试期间拐点出现的时间与对应心率，第一次递增负荷拐点出现的时间为(391.70±58.39)s，对应心率为(153.50±3.44)bpm；第二次递增负荷拐点出现的时间为(522.50±62.05)s，对应心率为(158.7±2.91)bpm，第二次递增负荷拐点出现的时间相对第一次延后了(130.80±28.70)s。通过配对样本-T检验，第二次递增负荷拐点出现的时间比第一次递增负荷的时间相对较长，且二者具有非常显著性差异(P<0.01)，第二次递增负荷出现拐点对应的心率也比第一次递增负荷的心率相对较高，且二者非常具有显著性差异(P<0.01)。

图2 A运动员4周后递增负荷测试期间肌肉血氧相关参数的变化图

表1 实验组两次递增负荷测试期间拐点出现的时间与对应心率

2.3 对照组两次递增负荷测试期间血乳酸浓度为4mmol/L时对应的功率与心率

表2反映了对照组10名短道速度滑冰运动员两次递增负荷测试期间血乳酸浓度为4mmol/L时对应的功率与心率，第一次递增负荷血乳酸浓度为4mmol/L时对应的功率为(166.0±10.68)W，心率为(152.0±4.97)bpm；第二次递增负荷血乳酸浓度为4mmol/L时对应的功率为(189.20±12.21)W，心率为(156.20±4.71)bpm。通过配对样本-T检验，第二次递增负荷血乳酸浓度为4mmol/L时对应的功率比第一次递增负荷的功率相对较高，且二者非常具有显著性差异(P<0.01)，第二次递增负荷血乳酸浓度为4mmol/L时对应的心率也比第一次递增负荷心率相对较高，且二者非常具有显著性差异(P<0.01)。

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[6]。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[7]，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[8]。

表2 对照组两次递增负荷测试期间血乳酸浓度为4mmol/L时对应的功率与心率

3.1 拐点的形成与意义

从图1和图2可以看到，该名受试运动员在进行两次递增负荷测试期间O2Hb含量均呈现下降趋势，而当达到一定负荷强度时，O2Hb含量会出现较大幅度下降现象而形成拐点。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[6]。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，在快肌纤维中以磷酸甘油转运系统为主，由于该转运系统转运NADH的能力明显低于苹果酸转运系统，所以，它不能及时地将胞浆NADH转运的线粒体氧化，从而导致NADH浓度显著升高，NADH/NAD比值明显增加，细胞内氧化还原状态发生改变，可加速乳酸的生成。与此同时，具有较高的酵解酶活性和较低氧化酶活性的快肌纤维的迅速募集也可使乙酰CoA氧化受阻，当酵解速率大于氧化磷酸化速率时，可导致乙酰CoA大量堆积，乙酰CoA/CoA比值迅速升高。NADH/NAD和乙酰CoA/CoA比值增加有利于丙酮酸脱氢酶从有活性状态向无活性状态转变，从而降低氧化磷酸化作用。另外，磷酸肌酸和ATP的降低和代谢产物Pi、6-磷酸果糖、ADP及AMP的积累，可激活磷酸果糖激酶(PFK)的活性而引起糖酵解过程加强。以上多种因素的综合作用，使乳酸生成迅速地增加[9]。部分乳酸扩散入血，在肝脏中经糖异生重新转变成糖原或葡萄糖，循环利用，该过程也需要氧和能量的供给，造成O2Hb含量的下降。另一方面，骨骼肌的强力收缩限制了骨骼肌中的血流量，使得氧供给量也受到了限制，O2Hb的解离愈加明显。

拐点出现之后，O2Hb含量出现较大幅度下降的现象，主要原因在于大强度运动时，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[10,11]。Stinger等[12]通过实验发现从中等强度运动到大强度运动的过程中，股静脉PO2仅有较小的变化,但氧容量却随着强度的增加出现了明显的下降,从而推测在大强度运动过程中PO2值很低时,乳酸在促进氧离中起到了重要的作用。Wasserman等[13]也推测大强度运动时,局部内环境的酸化促进O2Hb释放O2是线粒体摄取O2的重要来源。因此，拐点是反映机体内的代谢方式由有氧供能为主过渡到无氧供能为主的点，拐点所对应的运动强度即为个体乳酸阈所对应的强度。

3.2 两种训练效果的对比

评定运动员的有氧工作能力一般用最大摄氧量(VO2max)和乳酸阈(LT)这两个重要的指标，但是二者反应了不同的生理机制，前者反映的是心肺功能，后者反映的是骨骼肌的代谢水平。许多学者发现耐力性项目运动员在长时间的训练后，虽然有氧耐力有显著的提高，但机体最大摄氧量并无明显提高。最大摄氧量(VO2max)因受到遗传因素的影响，通过后天训练来提高的可能性较小，而乳酸阈受先天遗传因素影响较小，其可训练性较大，所以通过乳酸阈强度训练能够大大提高运动员的有氧耐力。乳酸阈强度训练能够通过主动脉体和静动脉体化学感受器的效应，刺激呼吸系统和加强血液循环系统工作能力，增加氧的摄入和加强氧的运输，同时促使细胞线粒体的数量增加、体积加大，提高线粒体细胞色素氧化酶的活性，使氧的利用率大幅度提高，运动员的有氧耐力得到增强[15]。

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[14]，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，根据个体乳酸阈的强度选择最佳的训练强度。因此，个体乳酸阈更能客观、准确、科学地反映机体有氧工作能力的高低，用个体乳酸阈指导运动训练已被教练员和运动员广泛接受，并成为运动生理学和运动生物化学重要的研究课题。

通过对实验数据的统计分析可以看到，两组运动员的有氧能力均得到了显著提升，说明近红外光谱技术能够应用于短道速度滑冰运动员无氧阈训练中。本实验在比较两组之间运动员有氧能力提升方面，仅能用无氧阈心率提升值作为比较指标，而实验组的拐点延后时间与对照组血乳酸浓度为4mmol/L时对应功率的提高量这两个指标，虽然都能直接反映运动员有氧能力的提升，但是这两个指标之间无法进行较为恰当的换算与比较。因此，单从无氧阈心率提升值方面看，实验组无氧阈心率提升值为(5.20±1.14)bpm，对照组无氧阈心率提升值为(4.20±0.92)bpm，通过独立样本-T检验可知，虽然实验组无氧阈心率提升值略大于对照组无氧阈心率提升值，但是这两组之间不具有显著性差异(P>0.05)。说明运用近红外光谱技术测无氧阈的方法可以代替传统运用4mmol/L血乳酸浓度测试无氧阈强度的方法，而且该方法具有无创、测试操作方法简单、实验期间基本没有产生耗材、比较节省测试费用等优点，但是该测试方法需通过多种仪器协同完成，若想要在运动训练中广泛的应用此技术，还有待相关仪器的升级。

4 结论

近红外光谱技术能够应用于短道速度滑冰运动员无氧阈训练中，并能无创测定运动员个体乳酸阈，经过4周乳酸阈强度训练，运动员有氧能力得到了显著提升，为近红外光谱技术在运动训练中的应用提供了依据。

通过近红外光谱技术测试无氧阈的方法可以代替传统运用4mmol/L血乳酸浓度测试无氧阈强度的方法，而且测试方法无创、简单以及廉价。

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