肌氧技术在递增负荷运动下变化特征研究*

陈钢锐 蒋新月 戴剑松，2 秦学林，2

（1.南京体育学院，江苏 南京 210014；2.江苏省运动与健康工程协同创新中心，江苏 南京 210014）

随着科技的发展和对训练理念认识的深刻，运动训练中的数字化训练越来越受到重视，数字化训练也将成为大众健身未来的发展趋势[1]。对训练过程中生理指标的监控、评估是数字化训练不可缺少的一部分，摄氧量、心率、血乳酸等为常用监控指标，主要反映训练强度和机体的变化状况，但是这些数据指标的采集存在一定的局限性，比如摄氧量的采集需要佩戴面罩，血乳酸测试需要进行多次采血等，这些操作给运动员带来一定不适，影响运动员的发挥。肌氧作为近10年来新兴的生理指标，其是通过局部肌肉氧合血红蛋白的浓度与总血红蛋白浓度的比值来反映肌氧饱和度[2]。肌氧能够敏感、精确地反映人体氧运输和利用的动态状态，从而客观评价人体运动能力、监控实时运动状态、评估运动效果[3-4]。相关学者的研究发现，肌氧饱和度与局部肌肉耐力及全身耐力存在相关性，运动过程中肌氧的含量与血乳酸之间存在线性相关关系[5-7]。因此，准确测量肌肉内的氧含量及其变化趋势对于评估肌肉耐力和机体运动能力具有重要的研究价值。本研究采用肌氧技术测定递增负荷运动中肌氧的变化特征，探究肌氧与心率、摄氧量的变化规律及其相关性，为肌氧含量测定在大众健身和运动训练中的应用提供数据支撑。

1 实验对象与方法

1.1 实验对象

本研究共招募受试者77名，其中男性41人，女性36人。测试流程及细节均提前告知受试者，并签署知情同意书。所有受试者在测试当天及测试前一周均无感冒发热，也无代谢类疾病等问题，测试前三天均未进行任何剧烈体力活动。受试者基本情况见表1。

表1 受试者基本情况

1.2 研究方法

1.2.1 实验方案

实验前告知每位受试者实验的流程，要求每位受试者同时佩戴Getwell肌氧监测仪和COSMED K5便携式能量代谢测试仪完成标准Bruce运动方案测试（见表2）。用Getwell肌氧监测仪来监测小腿腓肠肌的肌氧水平，该仪器佩戴在受试者小腿三头肌肌腹最高点，其轴线要与小腿平行，通过弹性绑带紧贴皮肤，松紧适度，保证在运动过程中不会脱落，同时也不会因为过紧而出现小腿缺血现象。再通过蓝牙链接平板电脑上的加动健康APP，得到受试者在完成整个运动方案的过程中的肌氧变化趋势的相关数据。利用COSMED K5便携式能量代谢测试仪的实时记录受试者实验过程中的摄氧量、心率等参数。整个实验过程中，全程实时记录受试者完成Bruce运动方案的肌氧与摄氧量数据，并通过两部设备相关联的软件终端导出受试者整个运动过程的肌氧数据与气体代谢数据，并对其进行分析。

1.2.2 运动方案

Bruce运动方案是经典的递增运动负荷试验方案，通过每3分钟增加一级负荷，让受试者心率、摄氧量逐步提高，直至达到力竭状态。

表2 标准Bruce运动方案

1.2.3 实验仪器及原理

肌肉中氧合血红蛋白和还原血红蛋白具有不同吸收光效率。Getwell肌氧监测仪及其配套的平板电脑终端，利用近红外光谱技术（NIRS），将两种不同波长的光射入肌肉中，检测投射或者反射信号的强弱，利用双波长比尔定律算出肌肉中氧含量的相对水平[8]，精确监控肌肉内实时血氧浓度。意大利产的便携式能量代谢仪COSMED K5，实时对运动过程中吸入与呼出气体成分进行分析，同步测试肌体在运动过程中各项气体成分指标。德国产的H/P/COSMOS跑步机，完全满足经典的Bruce跑台递增负荷实验要求。

1.2.4 数据统计分析

本研究中的数据整理分析采用JMP14.2.0统计软件进行，数值采用平均数±标准差表示。对所获数据进行单因素方差分析，对比不同等级负荷对受试者肌氧、摄氧量、心率的影响（显著性水平α设为0.05，P＜0.05表示具有显著性差异，P＜0.01表示具有高度显著性差异）。Pearson检验用于肌氧的变化与摄氧量和心率的变化的相关性分析。

2 研究结果

2.1 受试者递增负荷试验中肌氧、摄氧量和心率的变化特征

通过测试发现，在整个递增负荷实验过程中，随着负荷的逐渐增加，受试者的心率、摄氧量呈现上升的趋势；而肌氧呈现下降趋势，与摄氧量及心率呈现相反的变化趋势（见表3）。

表3 在递增负荷试验中肌氧、摄氧量和心率的测试结果

2.2 不同性别受试者在递增负荷试验中肌氧、摄氧量和心率的变化特征

表4 不同性别受试者在递增负荷下的肌氧、摄氧量和心率的测试结果

从表4可以看出，在第三级负荷和第四级负荷中，肌氧指标表现出明显的性别差异性，男性受试者肌氧下降的幅度明显大于女性受试者（P＜0.05），且男性受试者在第五和第六级负荷中肌氧指标持续下降，第六级负荷结束时达到最低值。这提示肌氧对于运动负荷变化来说是一个敏感的指标，随着运动负荷的增加，无论男性受试者还是女性受试者，肌氧均随着负荷的逐级增加而递减，并且男性受试者肌氧下降的幅度要明显大于女性受试者。在摄氧量方面，男性受试者与女性受试者在整个递增负荷实验过程中均未表现出差异性（P＞0.05）。在心率方面，女性受试者从运动初期便表现出比男性受试者更高的心率，并且在第一、第二和第三级负荷中皆高于男性受试者（P＜0.05）。这提示女性受试者在运动初期便需要调动更多的血液到肌肉组织中，才能满足机体有氧代谢的需求。

2.3 不同等级心肺耐力受试者肌氧、摄氧量和心率的变化特征

为深入探究不同有氧能力受试者在整个递增负荷试验中的肌氧、摄氧量和心率的变化特点，将对男性和女性受试者进行有氧能力分级，把最大摄氧量水平分布在前75%区间的认定为心肺较好等级，而将最大摄氧量水平分布在后25%区间的认定为心肺较差等级。男性和女性受试者最大摄氧量测试结果见表5。

从表6可以看到，心肺较好与心肺较差的男性受试者在整个递增负荷试验中的肌氧、摄氧量的变化未见显著性差异，而心率只在第3分钟和第6分钟存在统计学上的差异(P=0.032)。虽然男性受试者在测试过程中的肌氧、摄氧量、心率不存在统计学上的差异，但是在身体承受极限强度的负荷上，心肺较好的受试者的肌肉对氧气的利用能力、摄氧水平、心率指标均强于心肺较差的受试者。

在不同等级心肺耐力的女性受试者的测试过程中，心肺较好组的肌氧值明显低于心肺较差组，并存在显著性差异（P＜0.05），而在心率指标上并无统计学差异（见表7）。

表5 不同性别受试者最大摄氧量测试结果

表6 不同等级心肺耐力的男性受试者肌氧、摄氧量和心率的测试结果

表7 不同等级心肺耐力的女性受试者肌氧、摄氧量和心率的测试结果

注：*表示经t检验后，不同等级心肺耐力的女性受试者的肌氧、摄氧量和心率具有统计学差异，P＜0.05。

2.4 每一级负荷前、后半段肌氧、摄氧量和心率的变化特征

通过每一级负荷第二分钟的肌氧均值减去第一分钟的肌氧均值除以第二分钟的肌氧均值得到每一级负荷前半段肌氧的变化率，然后通过每一级负荷的第三分钟的肌氧均值减去第二分钟的肌氧均值除以第二分钟的肌氧均值得到每一级负荷后半段肌氧的变化率，同理获得摄氧量和心率的每一级负荷前、后半段的变化率。从表8可以看到，每一级递增负荷前半段和后半段肌氧和心率的变化率均存在显著差异，而摄氧量未见明显差异。

表8 受试者肌氧、摄氧量和心率每级负荷前、后半段变化率

2.5 受试者肌氧变化与摄氧量、心率变化之间的相关性分析

为进一步研究肌氧变化是否与摄氧量、心率变化存在关联，对所有受试者每级负荷下的肌氧变化分别与摄氧量、心率的变化进行Pearson相关性分析，结果见表9。结果表明，受试者肌氧的变化趋势与摄氧量、心率的变化趋势均呈显著负相关（P＜0.0001），这与实验预期结果是一致的。

表9 受试者肌氧变化与摄氧量、心率变化的相关性分析

2.6 不同性别受试者肌氧变化与摄氧量、心率变化之间的相关性分析

表10 不同性别受试者肌氧变化与摄氧量、心率变化的相关性分析

为进一步研究不同性别间的各项测试指标是否存在同样的关联特点，对不同性别受试者每一级负荷下的肌氧变化分别与摄氧量、心率的变化进行了Pearson相关性分析，结果见表10。结果表明，无论男性还是女性受试者，其肌氧的变化趋势与摄氧量、心率的变化趋势都呈显著负相关（P＜0.0001）。

3 分析与讨论

目前，已有的肌氧相关研究主要以运动员耐力训练的相关研究居多，耐力能力可以理解为维持一定强度持续运动的能力，无论是局部的肌肉或者全身的肌肉[9]。自行车等下肢运动、耐力跑运动以及递增负荷跑运动的研究结果均表明，通过NIRS技术测定肌氧水平是评定肌肉代谢变化，局部肌肉氧合水平有效、敏感且可靠的指标，这也为本研究的可行性奠定了基础[10-12]。

3.1 递增负荷试验中肌氧、摄氧量和心率变化特征分析

心率、摄氧量作为传统的评价有氧运动能力的生理指标，随着运动负荷的增加而不断上升。而在整个递增负荷试验中，随着运动负荷的递增，肌氧指标却呈现阶梯式下降的趋势，且每一级负荷的肌氧含量与上一级负荷相比都有显著降低（P＜0.05）。肌氧含量的持续下降说明，在递增负荷的有氧运动中，腿部肌肉组织在不断利用组织周围毛细血管中的氧合血红蛋白，被消耗的氧气参与到线粒体能量代谢过程中，来维持递增的运动负荷。杜卉卉利用NIRS监测竞走运动员在完成递增负荷跑台运动时发现，随着运动强度与运动时间的增加，肌氧含量百分比逐步减少（即氧合血红蛋白），且各个等级之间含量变化相对明显。蔡前鑫等人在对球类运动员肌氧饱和度与全身耐力的研究中指出，随着递增跑运动时间的增加，受试运动员肌氧饱和度明显下降，同时还发现肌氧饱和度可以用来反映运动员的有氧代谢能力[6]。这些针对专项运动员开展的肌氧监测与本实验研究结果一致。由此表明，肌氧监测不仅可以应用在专业运动员的训练监控中，同时对于大众健身也有一定的指导作用。

无论男性还是女性，其肌氧、摄氧量和心率的变化趋势都符合递增负荷运动的生理指标变化规律。在递增负荷实验的开始阶段，男性和女性的肌氧含量都即刻下降，其中在递增负荷的第三和第四级负荷中表现出明显的性别差异（P＜0.05），此时男性肌氧下降幅度明显大于女性，并且随着递增负荷试验的持续进行，男性肌氧含量下降幅度持续增加，并于第六级负荷下降至肌氧含量的最低水平。这表示肌氧相对于运动负荷是一个灵敏的生理指标，且肌氧可以持续反映负荷强度的改变，不同性别受试者的肌氧含量都随着运动负荷的不断增加而逐级递减[3]。并且随着运动时间和负荷的增加，男性受试者的肌氧含量下降的速度与幅度都大于女性受试者，这表明男性受试者能更好地动员组织周围血管内的氧合血红蛋白，来应对由于负荷强度的增加所带来的更大的能量需求，从而能够达到更长的负荷时间，体现出男性更强的有氧能力。从另一个角度可以发现，男性受试者由于男性肌肉的丰富程度较高，而拥有更好地利用氧的能力。

3.2 不同等级心肺耐力受试者肌氧、摄氧量和心率的变化特征分析

决定有氧能力的重要因素有肺通气与肺换气、心脏收缩舒张功能、血液运输氧气的能力、心血管调节控制机制以及肌肉接收利用氧气的能力。其中，肺通气与肺换气可以通过肺活量来衡量；心脏收缩舒张功能可以通过心率来判断；血液运输氧的能力可以通过血红蛋白测试来判断；心血管调节控制机制可通过心率变异性来表达；而肌肉接收利用氧气的能力是目前研究的最新方向[13-14]。通过对不同性别受试者的对比研究发现，男性受试者拥有更好的肌肉接收和利用氧的能力，而本研究去除了性别中的其他干扰因素，进一步验证了有氧能力的强弱与肌氧的关系。男性心肺较好组与心肺较差组在肌氧、摄氧量指标上无统计学上的差异，而心率上虽然存在显著差异（P＜0.05），但是只在第3、第6分钟，没有临床指导意义。女性则有所不同，心肺较好组与心肺较差组在心率和摄氧量上无统计学差异，但在肌氧方面存在显著差异性（P＜0.05），这说明女性不同等级的有氧能力体现在肌氧方面。因此，男性在提升有氧能力时，要进行全面训练，如心肌力量、肌肉耐力等；女性在提升有氧能力时，可进行适当的力量耐力训练，改善肌肉对氧气的利用率，以达到提升有氧能力的目的。

3.3 递增负荷试验中肌氧变化与摄氧量、心率的变化相关性分析

在递增负荷实验中，所有77名受试者均在实验工作人员的鼓励下坚持完成负荷任务，直至力竭，由此取得的实验数据具有较高的可信度。在对每级负荷中的肌氧、摄氧量和心率的平均值进行相对应的预处理后，取肌氧含量对数与摄氧量对数进行相关分析，发现两者呈显著负相关（P＜0.0001，相关系数r=-0.47）；同理发现，肌氧含量与心率之间也呈显著负相关（P＜0.0001，相关系数r=-0.33）。这说明肌氧含量可作为一种有效反映受试者有氧运动情况的监测指标。

从上述结果可以看出，肌氧含量与摄氧量之间的相关性高于肌氧含量与心率之间的相关性，这可能是因为随着运动负荷的增加，运动机体的各组织器官氧耗提高，呼吸系统即刻提高氧气摄入来满足体内产生能量的需求；同时，由于运动负荷的增加，心率逐渐提高，心输出量增加，从心脏主动脉输送含氧血红蛋白至全身时，位于受试者小腿的NIRS所监测的肌氧含量与心率之间产生了一定的“时间差”，从而导致二者的相关系数略低。丁攀等人利用近红外光谱技术对赛艇运动员的有氧能力进行研究发现，各气体代谢指标的变化情况与肌氧含量变化的趋势具有高度相关性，同时发现肌氧与心率的变化曲线也高度相关[15]，这与国内外很多研究学者[11，16-17]的研究结果相一致。这进一步说明，在递增负荷运动中，肌氧含量的变化情况与心率变化及气体代谢变化情况显著相关，并且肌氧作为重要的生理指标能及时准确且无创地反映受试者的身体代谢状态。由于受试人群不是运动员，而是普通人群，因此对大众健身具有重要意义。

从不同性别受试者肌氧变化与摄氧量、心率变化的相关性来看，男性与女性受试者在肌氧变化趋势与摄氧量、心率的变化趋势相似，并无明显性别差异。其中，男性受试者肌氧含量与摄氧量之间存在显著负相关（P＜0.0001，相关系数r=-0.3358）；男性肌氧含量与心率变化趋势也呈显著负相关（P＜0.0001，相关系数与摄氧量相同）。女性受试者的肌氧含量与摄氧量、心率之间也均呈显著相关（P＜0.0001，相关系数分别-0.4714、-0.4638）。从实验结果来看，女性受试者的肌氧变化趋势与摄氧量、心率的变化趋势之间的相关性均高于男性受试者，其原因可能与女性受试者平均完成的递增负荷少有关。女性受试者完成递增负荷的等级较少，运动时间较短，同时女性在运动初期即拥有较高的心率，因此女性受试者的肌氧含量变化与摄氧量、心率变化趋势之间的相关系数更高。

4 结论

（1）在递增负荷过程中，肌氧呈现阶梯式下降趋势，心率呈现出阶梯式上升趋势，而摄氧量呈现线性上升趋势，肌氧与心率、摄氧量之间呈现显著的负相关(P＜0.01)。不同性别受试者的肌氧与摄氧量、心率之间呈现出相同的变化趋势与关联性。上述结果表明，肌氧指标具备作为有氧能力评价指标的可能性。

（2）肌氧与心率在每一级负荷的前半段的变化率明显高于后半段变化率，且在每一级负荷的后半段进入平台期。而摄氧量在整个递增负荷实验中表现出线性上升的趋势，这提示，相比较于心率与摄氧量，肌氧可以灵敏、实时地反映运动强度的变化情况，具备成为新的运动强度监控指标的潜力。

（3）男性与女性不同等级有氧能力的影响因素不同，女性心肺较好的受试者在肌肉对氧气的利用方面优于心肺较差者，在心率、摄氧量方面没有差别；而男性心肺较好与心肺较差的在肌氧、心率、摄氧量方面都没有差别。因此，在大众健身方面，女性提升有氧能力可先进行力量耐力训练，提升肌肉对氧气的利用率；男性无论是进行力量训练还是慢跑等低强度的有氧训练都可以有效提升有氧能力。

（4）肌氧是反映肌肉利用氧气的效率，心率反映机体运输氧气的效率，摄氧量反映机体摄入氧气的能力。因此，肌氧结合摄氧量、心率等生理指标可精确评估有氧能力生理学影响因素，使有氧能力训练更加科学、更加高效。