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    近紅外光譜技術測量肌氧水平研究

     論文欄目:光學科學論文     更新時間:2018/10/26 9:01:50   

    摘要:人們對肌氧的測量有著越來越大的興趣,近紅外光譜技術(Near-infraredspectroscopy,NIRS)可以無創、連續、實時地測量局部骨骼肌氧水平的變化。NIRS因其無創、實時、連續的特點也越來越受到關注,本文從NIRS用于肌肉耐力評價、訓練監控、疲勞評估及其技術革新等方面進行綜述。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。

    關鍵詞:近紅外光譜技術;肌氧;運動評價

    人們對肌氧水平的監測有越來越大的興趣。隨著無創技術的發展,近紅外光譜技術(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時運動肌血容量和肌氧含量的改變,客觀估測運動肌的有氧代謝狀況。而且,采用NIRS進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,近紅外光可被氧依賴的生色基團(如HbO2、MbO2以及線粒體有氧酶等)吸收,且這種吸收作用在運動和缺氧時是變化的。局部小血管(如毛細血管、動靜脈血管)是NIRS測試的肌氧變化的主要來源,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。NIRS檢測的肌氧水平反映的是氧供與氧耗平衡關系的變化,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力性收縮的能力。根據運動是身體活動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。由于在氧化磷酸化能量供應中的生物能量作用,線粒體在細胞功能中扮演著重要角色。運動訓練對線粒體氧化能力的影響已經眾所周知,缺乏體力活動、衰老以及一些病理條件與線粒體功能降低有關。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粒體功能;而且,結果顯示運動訓練四周后,線粒體功能呈線性增加,但停訓后呈指數下降,平均半衰期為7.7天。此外,耐力運動員運動后肌肉耗氧恢復率比用NIRS測量的非活動者快兩倍。這些測量結果與線粒體測量的金標準(肌肉活檢)、磁共振波譜研究相一致[3],同時具有良好的可重復性。這說明,作為一種無創檢測技術,NIRS可以檢測線粒體功能的改變以反應肌肉耐力的變化。

    2.2訓練監控

    由于無創、實時、在體、連續的特點,NIRS檢測肌氧技術被應用到運動訓練中。張騰等[4]利用NIRS與心肺功能儀對游泳運動員遞增負荷運動進行監測,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)之間的關系,并分析最大攝氧量(VO2max)、相對VO2max、乳酸閾(LT)、通氣閾(VT)與運動成績之間的關系。結果顯示,運動員HbO2含量與VO2和LA均呈現高度相關;運動員的VO2max、VT、LT值與運動成績的顯著相關。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,運動員在相同條件下完成同等負荷運動的肌氧變化,發現訓練后,運動員在運動過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。以上這些高度相關性說明NIRS能正確反映運動員身體代謝狀態,對監測運動員訓練效果具有重要意義。此外,極量強度運動對心臟具有一定沖擊,這種對心臟的沖擊影響發生在極量強度運動停止瞬間之后的一定時間內。NIRS結合心率采集系統可以正確檢測極量強度運動時的血氧參數和心率,揭示極量強度運動過程中肌肉氧運輸與消耗的過程及其與心率之間的動力學特征,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,與功能和生活質量顯著下降有關。導致老年人功能喪失的一個關鍵因素是骨骼肌功能的下降。雖然機制仍然不明確,但與年齡相關的線粒體功能障礙在其中發揮了重要作用。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力學的關系,發現衰老與運動后氧化恢復時間的顯著延長有關。這一發現表明,在非運動骨骼肌中,線粒體功能隨著年齡的增長而總體降低。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值。骨科和康復醫師經常指導患者抬高創傷或術后下肢。眾所周知,抬高傷肢可以有效減少腫脹、傷口并發癥以及間隔綜合征的風險。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)和模擬創傷狀態(實驗組)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;經研究發現,肌肉氧飽和度會隨著肢體的抬高而成漸進性下降的趨勢(每抬高1cm肌肉的局部氧飽和度就下降0.12%)。

    3NIRS技術革新

    3.1連續波近紅外光譜儀

    人們對肌氧的測量有著越來越大的興趣,NIRS因其無創、實時、連續的特點也越來越受到關注,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的運動過程。目前,一種新型的、低成本的、無線可穿戴式NIRS已經研發成功。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)進行了對比,在遞增負荷運動中監測肌氧并與血乳酸進行對比分析。CWNIRS憑借其配備的專有軟件,能夠在循環測試一個功率增量的一半內預測運動員的乳酸閾功率。

    3.2水下NIRS測量

    由于游泳運動的特殊性,關于游泳運動員的肌氧監測大多局限于在功率自行車上做遞增負荷運動,缺少對游泳運動水下實時監測。而便攜式、防水NIRS裝置的研制使其成為可能,也為游泳鍛煉過程中發生的生理變化提供新的認識。已有學者采用這種水下NIRS監測手段進行研究,比如:觀察游泳運動員與鐵人三項運動員在完成200m自由泳過程中股外側肌和背闊肌肌氧的變化。該研究發現游泳運動員的速度明顯快于鐵人三項運動員,且在200m自由泳過程中游泳運動員使用背闊肌與股外側肌的程度相似,而鐵人三項運動員則主要使用上肢進行推進[10]。因此水下NIRS測量可以更深入地了解游泳技術在不同的游泳運動員之間的差異,也可以更好地為其他水下運動服務。

    4結語

    NIRS是一種無創、連續、實時測量肌肉氧代謝狀態的技術,為研究限制運動能力的病理生理機制以及運動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、疲勞的評估、運動訓練的監控等方面,以及在許多疾病、與年齡相關的運動能力下降中也是有價值的。隨著人口老齡化的嚴峻形式,NIRS在老年醫學中的應用值得更深入的研究。此外,穿戴式NIRS和水下NIRS測量也為運動康復治療提供了新的評價方法。

    作者:袁超群 單位:成都中醫藥大學體育學院

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