近紅外光譜技術(shù)測量肌氧水平研究論文
摘要：人們對肌氧的測量有著(zhù)越來(lái)越大的興趣，近紅外光譜技術(shù)(Near-infraredspectroscopy，NIRS)可以無(wú)創(chuàng )、連續、實(shí)時(shí)地測量局部骨骼肌氧水平的變化。NIRS因其無(wú)創(chuàng )、實(shí)時(shí)、連續的特點(diǎn)也越來(lái)越受到關(guān)注，本文從NIRS用于肌肉耐力評價(jià)、訓練監控、疲勞評估及其技術(shù)革新等方面進(jìn)行綜述。NIRS對局部肌氧變化的測量具有良好的可重復性，其結果與其他測量方法具有一致性，可準確評估局部骨骼肌氧代謝情況。
關(guān)鍵詞：近紅外光譜技術(shù)；肌氧；運動(dòng)評價(jià)
人們對肌氧水平的監測有越來(lái)越大的興趣。隨著(zhù)無(wú)創(chuàng )技術(shù)的發(fā)展，近紅外光譜技術(shù)(Near-infraredspectroscopy，NIRS)使得直接測量局部骨骼肌氧合血紅蛋白(HbO2)和氧合肌紅蛋白(MbO2)的變化成為可能。目前，NIRS已被廣泛用于測量運動(dòng)時(shí)運動(dòng)肌血容量和肌氧含量的改變，客觀(guān)估測運動(dòng)肌的有氧代謝狀況。而且，采用NIRS進(jìn)行肌氧水平的監測具有良好的可重復性[1]。
1NIRS肌氧測定原理
700~1000nm的近紅外光可以穿透皮膚、皮下脂肪及深層的肌肉。在穿透組織時(shí)，近紅外光可被氧依賴(lài)的生色基團（如HbO2、MbO2以及線(xiàn)粒體有氧酶等）吸收，且這種吸收作用在運動(dòng)和缺氧時(shí)是變化的。局部小血管（如毛細血管、動(dòng)靜脈血管）是NIRS測試的肌氧變化的主要來(lái)源，這些小血管的變化與肌肉血流量、局部組織氧攝取及靜脈回流有關(guān)。NIRS檢測的肌氧水平反映的是氧供與氧耗平衡關(guān)系的變化，它只是一種變化趨勢而不是氧含量值的量化。
2NIRS在肌氧測量中的應用
2.1肌肉耐力評估
肌肉耐力是指肌肉持續性維持一定強度的靜力性收縮或做多次一定強度的動(dòng)力性收縮的能力。根據運動(dòng)是身體活動(dòng)的部位以及參與的肌肉數量，可將肌肉耐力分為局部耐力和全身耐力。其中局部肌肉耐力與血紅蛋白含量、線(xiàn)粒體的數量及氧化酶活性、骨骼肌毛細血管密度等因素密切相關(guān)。由于在氧化磷酸化能量供應中的生物能量作用，線(xiàn)粒體在細胞功能中扮演著(zhù)重要角色。運動(dòng)訓練對線(xiàn)粒體氧化能力的影響已經(jīng)眾所周知，缺乏體力活動(dòng)、衰老以及一些病理條件與線(xiàn)粒體功能降低有關(guān)。有研究指出[2]，前臂屈肌群耐力訓練前后，采用NIRS測量每3~7天肌肉耗氧恢復率可以反應線(xiàn)粒體功能；而且，結果顯示運動(dòng)訓練四周后，線(xiàn)粒體功能呈線(xiàn)性增加，但停訓后呈指數下降，平均半衰期為7.7天。此外，耐力運動(dòng)員運動(dòng)后肌肉耗氧恢復率比用NIRS測量的非活動(dòng)者快兩倍。這些測量結果與線(xiàn)粒體測量的金標準（肌肉活檢）、磁共振波譜研究相一致[3]，同時(shí)具有良好的可重復性。這說(shuō)明，作為一種無(wú)創(chuàng )檢測技術(shù)，NIRS可以檢測線(xiàn)粒體功能的改變以反應肌肉耐力的'變化。
2.2訓練監控
由于無(wú)創(chuàng )、實(shí)時(shí)、在體、連續的特點(diǎn)，NIRS檢測肌氧技術(shù)被應用到運動(dòng)訓練中。張騰等[4]利用NIRS與心肺功能儀對游泳運動(dòng)員遞增負荷運動(dòng)進(jìn)行監測，中、分析骨骼肌內氧合血紅蛋白(HbO2)、攝氧量(VO2)、二氧化碳呼出量(VCO2)和血乳酸(LA)之間的關(guān)系，并分析最大攝氧量(VO2max)、相對VO2max、乳酸閾(LT)、通氣閾(VT)與運動(dòng)成績(jì)之間的關(guān)系。結果顯示，運動(dòng)員HbO2含量與VO2和LA均呈現高度相關(guān);運動(dòng)員的VO2max、VT、LT值與運動(dòng)成績(jì)的顯著(zhù)相關(guān)。除了在傳統訓練中的應用，NIRS也可用于高原訓練的監控。秦阿妮[5]利用NIRS監測高住高練低訓訓練前后，運動(dòng)員在相同條件下完成同等負荷運動(dòng)的肌氧變化，發(fā)現訓練后，運動(dòng)員在運動(dòng)過(guò)程中肌氧下降的幅度明顯減小，且血乳酸與肌氧及脈搏血氧飽和度均呈高度負相關(guān)。以上這些高度相關(guān)性說(shuō)明NIRS能正確反映運動(dòng)員身體代謝狀態(tài)，對監測運動(dòng)員訓練效果具有重要意義。此外，極量強度運動(dòng)對心臟具有一定沖擊，這種對心臟的沖擊影響發(fā)生在極量強度運動(dòng)停止瞬間之后的一定時(shí)間內。NIRS結合心率采集系統可以正確檢測極量強度運動(dòng)時(shí)的血氧參數和心率,揭示極量強度運動(dòng)過(guò)程中肌肉氧運輸與消耗的過(guò)程及其與心率之間的動(dòng)力學(xué)特征，做好預測[6]。
2.3其他方面的應用
年齡是慢性病的最大危險因素，與功能和生活質(zhì)量顯著(zhù)下降有關(guān)。導致老年人功能喪失的一個(gè)關(guān)鍵因素是骨骼肌功能的下降。雖然機制仍然不明確，但與年齡相關(guān)的線(xiàn)粒體功能障礙在其中發(fā)揮了重要作用。Chung等[7]研究了15名獨立生活的老年人和17名青年志愿者前臂肌肉氧化功能與肌肉氧耗恢復動(dòng)力學(xué)的關(guān)系，發(fā)現衰老與運動(dòng)后氧化恢復時(shí)間的顯著(zhù)延長(cháng)有關(guān)。這一發(fā)現表明，在非運動(dòng)骨骼肌中，線(xiàn)粒體功能隨著(zhù)年齡的增長(cháng)而總體降低。利用NIRS獲得的這些數據對于老年人骨骼肌氧化功能在臨床上的定量評估具有很大的價(jià)值。骨科和康復醫師經(jīng)常指導患者抬高創(chuàng )傷或術(shù)后下肢。眾所周知，抬高傷肢可以有效減少腫脹、傷口并發(fā)癥以及間隔綜合征的風(fēng)險。然而肢體抬高，腔室壓力增加，組織灌注壓卻降低且易引起組織缺血。為了確定肢體抬高對肌肉氧飽和度的影響，Palanca等[8]測量了26名健康成年人在正常（對照組）和模擬創(chuàng )傷狀態(tài)（實(shí)驗組）下，下肢相對于心臟抬高0cm、15cm、30cm的小腿脛前間隔區肌肉氧飽和度；經(jīng)研究發(fā)現，肌肉氧飽和度會(huì )隨著(zhù)肢體的抬高而成漸進(jìn)性下降的趨勢（每抬高1cm肌肉的局部氧飽和度就下降0.12%）。
3NIRS技術(shù)革新
3.1連續波近紅外光譜儀
人們對肌氧的測量有著(zhù)越來(lái)越大的興趣，NIRS因其無(wú)創(chuàng )、實(shí)時(shí)、連續的特點(diǎn)也越來(lái)越受到關(guān)注，但是大多數近紅外光譜系統是既笨重又昂貴的光纖耦合設備，使其不能充分應用于真實(shí)的運動(dòng)過(guò)程。目前，一種新型的、低成本的、無(wú)線(xiàn)可穿戴式NIRS已經(jīng)研發(fā)成功。Farzam等[9]將這種新型的連續波近紅外光譜儀（CWNIRS）與傳統臺式頻域近紅外光譜儀（FDNIRS）進(jìn)行了對比，在遞增負荷運動(dòng)中監測肌氧并與血乳酸進(jìn)行對比分析。CWNIRS憑借其配備的專(zhuān)有軟件，能夠在循環(huán)測試一個(gè)功率增量的一半內預測運動(dòng)員的乳酸閾功率。
3.2水下NIRS測量
由于游泳運動(dòng)的特殊性，關(guān)于游泳運動(dòng)員的肌氧監測大多局限于在功率自行車(chē)上做遞增負荷運動(dòng)，缺少對游泳運動(dòng)水下實(shí)時(shí)監測。而便攜式、防水NIRS裝置的研制使其成為可能，也為游泳鍛煉過(guò)程中發(fā)生的生理變化提供新的認識。已有學(xué)者采用這種水下NIRS監測手段進(jìn)行研究，比如：觀(guān)察游泳運動(dòng)員與鐵人三項運動(dòng)員在完成200m自由泳過(guò)程中股外側肌和背闊肌肌氧的變化。該研究發(fā)現游泳運動(dòng)員的速度明顯快于鐵人三項運動(dòng)員，且在200m自由泳過(guò)程中游泳運動(dòng)員使用背闊肌與股外側肌的程度相似，而鐵人三項運動(dòng)員則主要使用上肢進(jìn)行推進(jìn)[10]。因此水下NIRS測量可以更深入地了解游泳技術(shù)在不同的游泳運動(dòng)員之間的差異，也可以更好地為其他水下運動(dòng)服務(wù)。
4結語(yǔ)
NIRS是一種無(wú)創(chuàng )、連續、實(shí)時(shí)測量肌肉氧代謝狀態(tài)的技術(shù)，為研究限制運動(dòng)能力的病理生理機制以及運動(dòng)干預對機體影響機制提供了方法。NIRS肌氧測量可以用于肌肉耐力的評價(jià)、疲勞的評估、運動(dòng)訓練的監控等方面，以及在許多疾病、與年齡相關(guān)的運動(dòng)能力下降中也是有價(jià)值的。隨著(zhù)人口老齡化的嚴峻形式，NIRS在老年醫學(xué)中的應用值得更深入的研究。此外，穿戴式NIRS和水下NIRS測量也為運動(dòng)康復治療提供了新的評價(jià)方法。
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