阻力递增踏车对年轻健康男性相关呼吸、运动肌肉血流量的影响

王培建 ，王思远，黄彩平，于海洋，陈 晔，郭京伟⋆

（1.中日友好医院 康复医学科，北京 100029；2.首都医科大学附属北京友谊医院 康复医学科，北京 100050）

随着运动强度的增加，人体的通气需求不断上升，吸气肌的兴奋性和耗氧量也随之增加。研究发现，在坐位抗阻吸气中，随着阻力的增大，吸气肌血流量也有所上升。 为满足运动过程的通气需求，健康、年轻受试者呼吸肌所需要的氧气约占机体最大摄氧量 （maximal oxygen uptake，VO2max）的8%～16%[1]。 个体在进行高强度运动时，原动肌和呼吸肌都需要大量的氧气供给。 本研究以正常年轻男性为样本，观察不同肌群在运动中的血流量变化趋势，从而初步探讨运动对人体不同肌群血流量变化的规律和机制。

图1 拐点选定示意图

1 资料与方法

1.1 一般资料

我们在2016 年6 月～8 月共招募8 名健康男性志愿者参与试验，平均年龄24.50±1.69 岁，体重67.88±6.06kg，身 高176.00±6.61cm，BMI 为21.94±1.85 kg/m2。 受试者均在实验前详细讲解试验流程并签署知情同意书。 测试前48h 避免进行高强度运动；测试前2h 避免摄入酒精、咖啡因。

1.2 试验方法

受试者于端坐位 （无需手扶） 功率自行车（874E，Monark，瑞典）上维持静息状态3min，随后进入热身阶段3min，功率设为30W，转速维持在50～60rpm。测试阶段，运动强度每13s 增加5W 直至运动终止。为达到最大运动强度，测试终止标准为同时满足以下4 项中的任意3 个：（1）伴随运动负荷增加，VO2变化<100ml/min；（2）呼吸商（respiratory exchange ratio，RER）>1.1；（3） 心率达到最大靶心率的90%；（4）无论研究人员如何鼓励，受试者均无法维持目标转速。

1.3 监测与评定方法观察指标

心肺耐力测试测试过程中，受试者接受12 导联心电监测 （CardioSys，E Medical systems Inc.Milwaukee，WI）。 监测每分通气量（minute ventilation，VE）、 摄氧量 （VO2）、 二氧化碳产出量（VCO2）、血氧饱和度（SpO2）和血压。

血流量监测采用无线实时NIRS 设备（MOXY3，Fortiori Design LLC，美国），光线波长为380nm、630nm、750nm 和850nm，通过计算光衰减程度判定监测区域含氧血红蛋白（O2Hb）、还原血红蛋白（HHb）的浓度，推算出局部肌肉的总血红蛋白（tHb），以tHb 量代表局部肌肉的血流量[2，3]。

公式如下：tHb=O2Hb+HHb。

在固定设备之前测量相应位置的皮下脂肪厚度（Jamar 2058，Sammons Preston Rolyan，美 国），以确保该区域的皮下脂肪厚度<10mm。 探测端和接收端的间距为25mm，设备放置位置如下：（1）肱二头肌（非原动肌）：左侧肱二头肌肌腹；（2）胸锁乳突肌[4]（吸气肌）：左侧锁骨端上5～8cm；（3）股四头肌（原动肌）：左侧股四头肌外侧头肌腹，膝上10～15cm。

受试者在测试开始后目标肌肉血流量曲线突然急剧变化的点判定为目标肌肉血流量的“拐点”（如图1），由3 名有经验的治疗师分别认定[3，5]，超过2 人认定则确认，我们将静息状态下受试者目标肌肉的血流量水平设为参考值，记录出现拐点时的摄氧量和BV 变化值。

△BV=实时血流量-静息血流量

1.4 统计学方法

采用SPSS18.0 统计软件进行数据处理，重复测量的采用单因素方差分析。

表1 血流量变化曲线出现“拐点”时摄氧量 （±s）

表1 血流量变化曲线出现“拐点”时摄氧量 （±s）

拐点出现摄氧量（ml/min） 相对运动强度股四头肌 1740.38±255.93 81.8% VO2max胸锁乳突肌 1521.25±245.48 71.5% VO2max肱二头肌 837.25±223.57 37.1%VO2max

图2 血流量变化趋势

2 结果

2.1 心肺耐力测试结果

运动终止时，受试者VO2max为2257.75±178.29ml/min，33.47±3.66ml/min/kg，最大二氧化碳排出量（VCO2max）为2721.62±282.42ml/min，最大负荷为189.00±19.77W，呼吸商（RER）为1.20±0.08，通气量（VE）为70.37±14.11L/min。

2.2 血流量变化结果

表1 示，从运动开始到摄氧量达到1740.38±255.93ml/min，股四头肌血流量呈现上升趋势，血流量变化值为△0.51±0.39（P=0.04）。 在此之后直到运动终止，血流量呈现下降趋势，相对静息状态血流量下降变化值为△-0.39±0.42（P=0.03）；摄氧量达到1521.25±245.48 时胸锁乳突肌血流量变化曲线出现拐点，在拐点出现以前血流量无显著变化（P=0.52），拐点出现以后直到运动终止，血流量相对于静息状态呈现上升趋势，变化值为△0.61±0.62（P=0.01）；肱二头肌的血流量从开始运动就下降，摄氧量达到837.25±223.57ml/min时，相较于静息状态血流量，下降变化值为△-0.15±0.15（P=0.02），随后肱二头肌血流量变化趋于平缓，详见图2。

3 讨论

我们发现，健康受试者伴随着运动强度的增大，肱二头肌、胸锁乳突肌、股四头肌的血流量出现不同的变化趋势。 肱二头肌血流量从运动起始就下降，后趋于平缓； 股四头肌的血流量出现上升，当运动强度达到约81.8%VO2max时出现下降，吸气肌胸锁乳突肌血流量从运动伊始出现轻微上升，而在运动强度达到约71.5%VO2max时血流量加速上升。根据此结果，我们推测机体受到运动刺激时，存在骨骼肌血液重新分配的现象[6]。 肱二头肌在踏车运动中并非运动的原动肌，在运动开始后不久血流量即下降至较低水平直到运动终止，以保证原动肌可以获得充足的血供。 胸锁乳突肌的血流量变化趋势可以分成两个阶段：第一个阶段是从运动开始到“拐点”的出现，血流量无显著变化；第二阶段是从“拐点”到运动终止，血流量显著增加。这可能由于在强度较小时，吸气肌不需要额外的血供即可以满足通气需求，而随着运动强度进一步增加，呼吸肌耗氧量也随之增加，而机体有先保证呼吸肌供血供氧的趋势[7]，且在原动肌血流量下降前就将血液快速的分流至呼吸肌直到运动终止。

股四头肌血流量的变化也呈现两个阶段，第一阶段是运动开始后血流量上升，而当运动强度持续增加接近亚极量（81.8%VO2max）时，股四头肌的血流量下降直到运动终止。 第一阶段血流量的上升可能由于运动刺激造成股四头肌局部的血管扩张以及对股四头肌供血的血管的开放，伴随着运动强度的增大，股四头肌血流量减少，成因则较为复杂。 Kowalchuk 等[8]的研究认为股四头肌血流量的减少与肌肉不断收缩使得血管受压，血管管径减小有关。 我们的试验发现呼吸肌血流量上升先于股四头肌血流量的下降。 这可能由于吸气肌的血供增加与股四头肌血供减少都与交感神经系统调节有关[2]，且呼吸肌的交感神经活动（muscle sympathetic nerve activity，MSNA）和促血管收缩的阈值要远低于原动肌[9]，我们的试验结果也佐证这一点。

通过对比出现拐点时呼吸频率与通气量的关系，发现其中个体差异很大，呼吸频率和通气量可能不是导致不同肌群血流量变化的主要因素。 呼吸频率和通气量在运动开始时均呈上升趋势，通气量上升速度大于呼吸频率，此时每分通气量上升主要由通气量增加提供。在接近无氧阈时，呼吸频率显著上升而通气量达到平台。 每分通气量的上升由呼吸频率上升提供较多，直至运动终止。其原因是由于无氧运动的代谢产物——乳酸刺激化学感受器，导致呼吸频率的上升[10]。 但呼吸肌血流量的上升在无氧阈后，原动肌血流量的下降拐点则更迟一些。 在血氧方面，所有受试者整个运动过程中血氧饱和度均在95%～98%，波动不明显。 因此，我们认为运动中不同肌群血流量的变化与化学感受器引导的呼吸运动的加深加快并非同一通路。

综上所述，我们可以得到以下结论，在强度递增的耐力运动中，人体在保证呼吸肌得到充分血供氧供的前提下，首先将不参与运动的肌肉的血液分流至运动的原动肌，以保证运动的持续进行。在强度达到亚极量时，人体会额外向呼吸肌供血以保证更高的通气和运动水平。 年轻健康男性在中低强度的踏车运动中，呼吸肌血流量基本维持不变，原动肌血流量上升，非原动肌血流量下降；在亚极量-极量时，运动中呼吸肌血流量上升，原动肌血流量下降且呼吸肌血流量上升先于原动肌血流量下降。 本研究为我们COPD 课题系列研究的第一步，后续我们将对COPD 患者不同肌群血流量变化规律进行进一步临床研究。