陳 萬,田詩彬,劉 倩,張曉輝,黃 超,劉振宇,李 岳

游泳運(yùn)動員短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練中肌氧含量及相關(guān)指標(biāo)的變化特征

陳 萬1,田詩彬2,劉 倩1,張曉輝1,黃 超1,劉振宇3,李 岳4

目的:探討游泳運(yùn)動員短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練過程中肌肉氧參數(shù)動態(tài)變化特征和規(guī)律,以及訓(xùn)練前后的血乳酸(LA)、心率(HR)、主觀疲勞感覺(RPE)變化及相關(guān)性。方法:隨機(jī)選取山東省游泳運(yùn)動員(n=15)采用短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練模式,全力蹬踏功率自行車30秒、休息120秒、重復(fù)進(jìn)行3次為一組、共2組,組間休息3-4分鐘。連續(xù)監(jiān)測受試者短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練過程中股外側(cè)肌組織肌氧參數(shù)變化;每次全力蹬踏30秒后即刻測試受試者RPE;整個訓(xùn)練過程中實(shí)時同步監(jiān)測HR,并于每次全力蹬踏30秒后即刻讀取并記錄受試者HR;分別在訓(xùn)練前后即刻取受試者指尖血10μL,測試LA值。結(jié)果:(1)全力蹬踏功率自行車過程中股外側(cè)肌組織氧合血紅蛋白含量(CHbO2)和局部組織肌氧飽和度(TOI)迅速下降、肌組織還原血紅蛋白(CHb)迅速上升;(2)兩組短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練后LA、HR、RPE都分別顯著高于訓(xùn)練前(P＜0.01); (3)訓(xùn)練前后的LA、HR、RPE之間具有高度相關(guān)性(P＜0.01)。結(jié)論:(1)可通過近紅外光譜技術(shù)監(jiān)控短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練過程中肌組織中CHbO2、CHb、TOI動態(tài)變化趨勢;(2)在短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練過程中,可以通過LA、HR、RPE直接有效地監(jiān)控訓(xùn)練的強(qiáng)度。

短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練;近紅外光譜技術(shù);氧飽和度;血乳酸

2012年倫敦奧運(yùn)會上,中國游泳隊(duì)共獲得5金2銀3銅的好成績,實(shí)現(xiàn)歷史性突破,其中中短距離游泳項(xiàng)目50、100、200米共獲得2金2銀2銅,占中國游泳項(xiàng)目獎牌的60%。游泳比賽中運(yùn)動員的技戰(zhàn)術(shù)能力固然重要,但體能則是技戰(zhàn)術(shù)發(fā)揮和提高運(yùn)動成績的根本保障。中短距離游泳比賽主要是酵解能系統(tǒng)供能為主,磷酸原系統(tǒng)和氧化能系統(tǒng)供能為輔,而短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練法(HIIT)正是發(fā)展這種方式供能能力的一種模式訓(xùn)練法[1]。本研究采用先進(jìn)的近紅外光譜技術(shù)(Near Infrared Spectroscopy,NIRS),監(jiān)測短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練過程中肌肉氧含量變化,同時觀察心率、血乳酸、主觀疲勞感覺等變化,探究其相關(guān)性特征,為游泳運(yùn)動員制定科學(xué)的體能訓(xùn)練計(jì)劃并有效監(jiān)控訓(xùn)練強(qiáng)度提供參考依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

山東省男子游泳運(yùn)動員15人,年齡17.0±1.0歲,體重61.7±2.3公斤,平均專業(yè)訓(xùn)練年限7.8± 1.3年。受試者了解實(shí)驗(yàn)流程,實(shí)驗(yàn)期內(nèi)未進(jìn)行大強(qiáng)度運(yùn)動,且本人簽署知情同意書。

1.2 研究方法

1.2.1 運(yùn)動方案

訓(xùn)練方式為蹬踏功率自行車(POWERMAX-VII,日本)。首先,通過最大無氧能力測試(間歇遞增負(fù)荷測驗(yàn)法)獲取每位受試者的個人最佳短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練值,即受試者進(jìn)行短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練時的最佳負(fù)荷值;然后,每位受試者根據(jù)自己的最佳訓(xùn)練值,全力蹬踏30秒、休息120秒(從最后5秒開始倒計(jì)時,在倒計(jì)時結(jié)束后顯示“開始”,進(jìn)行下一次全力蹬踏30秒)、重復(fù)進(jìn)行3次為一組的間歇訓(xùn)練,訓(xùn)練時間大約6分鐘,連續(xù)訓(xùn)練2組,組間休息3-4分鐘[2]。具體訓(xùn)練情況如圖1所示。

圖1 短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練模式

1.2.2 肌氧飽和度測試

使用組織血氧無損監(jiān)測儀(TSAH-100,中國)監(jiān)測肌氧飽和度。檢測時選擇蹬踏功率自行車訓(xùn)練時的主動肌——股外側(cè)肌的中腹為監(jiān)測點(diǎn),將傳感器探頭縱向放置在一側(cè)大腿股外側(cè)肌肌腹中段的縱向平面上,光源與接收器連線平行于大腿。在監(jiān)測受試者訓(xùn)練過程中股外側(cè)肌群肌氧參數(shù)變化時,為避免汗水、漏光等因素影響ΔCHb(還原血紅蛋白Hb的濃度相對于其初始值的變化量)、ΔCHbO2(氧合血紅蛋白HbO2的濃度相對于其初始值的變化量)以及氧飽和度TOI,在測試部位與探頭之間加一層透光性較高的薄膜,并用遮光的軟物質(zhì)包裹后,再用彈力繃帶固定探頭,松緊要適中,每次測試開始大約20秒后出現(xiàn)穩(wěn)定值再開始正式記錄[3-4]。

1.2.3 主觀感覺疲勞程度及心率測試

實(shí)驗(yàn)前采用主觀感覺疲勞程度(RPE)量表,測試并記錄受試者RPE初始值,實(shí)驗(yàn)開始后每次全力蹬踏30秒后即刻測受試者RPE,并記錄每次的RPE等級。整個實(shí)驗(yàn)前一周期讓受試者做同樣負(fù)荷的運(yùn)動,測定受試者的RPE,以便受試者在做正式實(shí)驗(yàn)時對RPE能有準(zhǔn)確的主觀認(rèn)識。整個訓(xùn)練過程受試者佩戴心率遙測表(RS-400 Polar,芬蘭)實(shí)時同步監(jiān)測心率,并于每次全力蹬踏30秒后即刻讀取并記錄受試者心率。

1.2.4 血乳酸測試

訓(xùn)練前取受試者指尖血10μL,用乳酸分析儀(EKF-c-line GP,德國)測試初始血乳酸值。受試者按訓(xùn)練模式蹬踏2組功率自行車后即刻指尖采血10μL,測試訓(xùn)練后即刻血乳酸值。

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析采用SPSS 17.0軟件系統(tǒng),數(shù)據(jù)結(jié)果均以“均值±標(biāo)準(zhǔn)差”(±s)表示。對訓(xùn)練前后肌氧飽和度、心率、主觀感覺疲勞程度、血乳酸等指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行配對樣本T檢驗(yàn)和Pearson相關(guān)分析。顯著性差異水平為P＜0.05,非常顯著性差異水平P＜0.01。

2 研究結(jié)果

2.1 短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練過程中肌氧變化

游泳運(yùn)動員在訓(xùn)練過程中(3次 ×30秒 ×2組),對股外側(cè)肌肌氧變化進(jìn)行實(shí)時檢測,得到每名受試者股外側(cè)肌的ΔCHbO2、ΔCHb和TOI變化圖,如圖2和圖3所示。

圖2 受試者運(yùn)動中肌氧含量變化

圖3 受試者運(yùn)動中肌氧飽和度變化

圖2顯示,短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練開始后, CHbO2急劇下降,CHb相應(yīng)上升;當(dāng)?shù)?次運(yùn)動30秒結(jié)束后,CHbO2開始上升并且超過初始值,CHb相應(yīng)下降;第2次、第3次運(yùn)動30秒肌氧變化和第1次運(yùn)動具有相同的特點(diǎn)。第1組訓(xùn)練結(jié)束后休息3-4min,然后進(jìn)行第2組訓(xùn)練,第2組訓(xùn)練過程中肌氧變化和第1組基本相同。圖3顯示為訓(xùn)練過程中股外側(cè)肌局部氧飽和度(TOI)變化趨勢,其變化特點(diǎn)基本和CHbO2變化特點(diǎn)相似。

2.2 訓(xùn)練前后相關(guān)指標(biāo)變化及相關(guān)性結(jié)果

表1 訓(xùn)練前與訓(xùn)練后即刻肌氧飽和度、血乳酸、心率和主觀疲勞感覺變化

表1顯示,經(jīng)2組短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練后即刻,受試者肌氧飽和度顯著性低于訓(xùn)練前的安靜值(P＜0.01),而血乳酸、心率、主觀疲勞感覺都明顯 高于訓(xùn)練前其安靜值(P＜0.01)。

表2 各指標(biāo)之間相關(guān)性

表2顯示,肌氧飽和度與血乳酸、心率、主觀疲勞感覺程度存在高度負(fù)相關(guān)性,肌氧飽和度和血乳酸相關(guān)系數(shù)r=-0.903(P＜0.01),肌氧飽和度和心率相關(guān)系數(shù)r=-0.923(P＜0.01),肌氧飽和度和主觀疲勞感覺程度相關(guān)系數(shù)r=-0.892(P＜0.01)。血乳酸、心率、主觀疲勞感覺三者之間存在高度正相關(guān)性:血乳酸和心率相關(guān)系數(shù)r=0.929(P＜0.01),血乳酸和主觀疲勞感覺相關(guān)系數(shù) r= 0.936(P＜0.01),心率和主觀疲勞感覺相關(guān)系數(shù)r=0.992(P＜0.01)。

3 分析與討論

3.1 肌氧變化及其相關(guān)性分析

由于近紅外光譜術(shù)(NIRS)的波長為700～1000nm的近紅外光,它對人體組織有良好穿透性,主要吸收氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb)在該波段中的吸收譜存在顯著差異。因此,二者對光吸收變化可以間接揭示做功時骨骼肌組織氧供與氧耗間的動態(tài)平衡。采用這種新型檢測技術(shù),可以實(shí)時監(jiān)測運(yùn)動員在訓(xùn)練過程中工作肌群肌氧含量的動態(tài)變化[3,5]。

圖2顯示,第1次運(yùn)動開始后,CHbO2急劇降低、CHb急劇升高。主要是因?yàn)樯眢w機(jī)能突然進(jìn)入急劇增加負(fù)荷運(yùn)動狀態(tài),運(yùn)動開始階段主動肌能量的消耗主要來源于磷酸原系統(tǒng),磷酸原系統(tǒng)的恢復(fù)需要消耗一定量的氧氣;同時肌肉的強(qiáng)力收縮,限制了運(yùn)動肌肉的血流量,從而限制了氧的供應(yīng),氧分壓迅速下降導(dǎo)致HbO2的解離加速,還原血紅蛋白急劇升高[7,10]。運(yùn)動中產(chǎn)生大量的乳酸(見表1)進(jìn)入肌纖維細(xì)胞中被氧化則需要大量的氧氣,氧供應(yīng)的不足導(dǎo)致肌氧含量下降(見圖2),這也是血乳酸和肌氧飽和度具有高度相關(guān)性的原因。

隨著訓(xùn)練次數(shù)和組數(shù)的增加及時間的延長,訓(xùn)練過程中能量代謝產(chǎn)生的酸性物質(zhì)在體內(nèi)不斷堆積,致使體內(nèi)H+濃度增加,從而促進(jìn)HbO2分解產(chǎn)生Hb和O2的速率(Bohr效應(yīng)),導(dǎo)致CHbO2進(jìn)一步下降,CHb升高[6]。當(dāng)30秒全力蹬踏結(jié)束,CHbO2呈現(xiàn)快速上升趨勢,ΔCHbO2含量表現(xiàn)出一個急劇反彈上升特點(diǎn),而且在很短時間內(nèi)(大約60-90秒)能夠上升到接近或超過下降之前的水平。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是,在運(yùn)動過程中工作肌群——股外側(cè)肌組織內(nèi)的大量毛細(xì)血管處于高度擴(kuò)張且血液加速循環(huán)的狀態(tài),當(dāng)運(yùn)動突然結(jié)束時,毛細(xì)血管還處于高度擴(kuò)張,血液較高循環(huán)的水平。此時第一個30秒運(yùn)動已經(jīng)停止,骨骼肌維持正常生理活動實(shí)際需要和消耗的氧氣明顯少于劇烈運(yùn)動時所消耗的氧。在整個訓(xùn)練過程中股外側(cè)肌CHb與CHbO2的變化趨勢剛好相反。

骨骼肌工作時消耗機(jī)體大量的氧,當(dāng)供氧不足,尤其是肌肉氧含量不足時會加速骨骼肌的疲勞,最終導(dǎo)致肌組織工作能力下降[7-8]。運(yùn)動過程中,肌氧飽和度的變化主要反映了肌組織中靜脈血氧飽和度的變化[8]。運(yùn)動過程中直接供能物質(zhì)ATP、CP等被消耗以后,肌組織通過能量代謝產(chǎn)生能量,此過程中消耗大量氧,從而造成運(yùn)動時機(jī)體對氧的需求不斷增加,使肌氧飽和度明顯下降。研究表明[9],引起HbO2解離的因素有溫度、CO2分壓(PCO2)、pH值、2,3-二磷酸甘油酸(2,3-DPG)等,這些因素也是引起運(yùn)動骨骼肌組織氧飽和度發(fā)生變化的主要因素[10]。

30秒運(yùn)動結(jié)束即刻,肌氧的供應(yīng)與消耗達(dá)到了一個新的平衡點(diǎn),在這個平衡點(diǎn)處肌氧飽和度較低,說明流入肌組織的氧被利用較高,動靜脈氧差明顯高于安靜狀態(tài)。30秒運(yùn)動結(jié)束后肌氧飽和度回升,表明運(yùn)動停止后血液回流,Hb和O2合成加大,HbO2升高,Hb下降(見圖2)。持續(xù)進(jìn)行兩組3次30秒的短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練,肌肉收縮對這一運(yùn)動強(qiáng)度產(chǎn)生一定程度的適應(yīng),出現(xiàn)適應(yīng)性氧耗量減少,所以在一定強(qiáng)度范圍內(nèi)工作的肌肉組織能夠自動調(diào)節(jié)氧供需的平衡,使肌氧飽和度的變化保持在一定水平。

本研究表明肌氧飽和度的變化與肌肉內(nèi)氧化代謝水平有密切關(guān)系,進(jìn)一步提示氧供需對肌肉活動的影響[4,8,11]。有氧代謝能力越強(qiáng)的運(yùn)動員,在其最大運(yùn)動強(qiáng)度下的肌氧飽和度越低,也說明其肌肉對氧的利用率相對較高[11]。

3.2 訓(xùn)練前后心率、血乳酸、主觀感覺疲勞程度變化及相關(guān)性分析

心率和血乳酸濃度是反映運(yùn)動強(qiáng)度的常用指標(biāo),尤其是本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練,心率則能直接反映出訓(xùn)練強(qiáng)度。由于全力蹬踏功率自行車,機(jī)體代謝加強(qiáng),需氧量及耗氧量增加,這時心率加快加速了血液循環(huán),為機(jī)體提供充足的HbO2,供肌組織解離出O2為機(jī)體代謝所利用。本實(shí)驗(yàn)血乳酸的變化是因?yàn)?0秒短時間內(nèi)蹬踏功率自行車時的能量消耗主要來自糖無氧酵解,由于兩組多次30秒全力訓(xùn)練造成血乳酸堆積,所以訓(xùn)練后血乳酸明顯高于訓(xùn)練前血乳酸水平。

主觀感覺疲勞程度(RPE)主要反映了來自運(yùn)動時骨骼肌、關(guān)節(jié)、心血管及中樞神經(jīng)系統(tǒng)等方面的信息,通過相應(yīng)感知體驗(yàn)的綜合分析形成了初始的主觀用力(疲勞)感覺[12]。本實(shí)驗(yàn)中多組的30秒訓(xùn)練造成受試者下肢股四頭肌酸脹、血流量增加以及心率加快等刺激信號傳至大腦皮層,經(jīng)分析和感知體驗(yàn)形成了主觀疲勞感覺。

運(yùn)動過程中及恢復(fù)期血乳酸的變化是機(jī)體組織中乳酸生成、乳酸進(jìn)入血液和血液中乳酸消失速率之間平衡的表現(xiàn)[13]。實(shí)驗(yàn)中訓(xùn)練開始階段,能量供應(yīng)來自于ATP-CP系統(tǒng),但只能維持10秒以內(nèi),隨著運(yùn)動時間的延長,CP大量消耗,糖酵解過程開始被激活,肌糖原分解供能并產(chǎn)生乳酸,肌乳酸增多滲入血液,引起血乳酸大量堆積[14],造成肌氧飽和度和血乳酸的高度負(fù)相關(guān)(見表2)。

短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練開始后,由于神經(jīng)系統(tǒng)激活水平上升,引起植物性神經(jīng)活動變化,機(jī)體各組織器官充分被動員,VO2及心率都增加。當(dāng)攝氧能力仍然滿足不了運(yùn)動氧耗量時,機(jī)體處于缺氧狀態(tài),此時運(yùn)動所需能量主要依靠無氧代謝供給。人體在劇烈運(yùn)動時攝氧量的增加,主要依賴于呼吸程度的加深、呼吸頻率的加快、心率的加快以及每搏心輸出量的增加[15]。本實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練過程中,受試者的心率和最大攝氧量的同步上升正說明了這一點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中連續(xù)多組的30秒訓(xùn)練造成受試者下肢骨骼肌(主要為股四頭肌)酸脹、需氧量的增加、血乳酸濃度的增加以及心率加快等諸多刺激傳至大腦皮層,經(jīng)分析和感知體驗(yàn)形成主觀疲勞感覺,隨著上述因素變化加劇,并伴隨著肌氧飽和度的下降,主觀疲勞感覺程度也逐步加深,呈現(xiàn)出高度負(fù)相關(guān)性(見表2)。

4 結(jié)論

(1)游泳運(yùn)動員短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練時,肌組織中CHbO2和TOI呈正相關(guān)、CHb和TOI呈負(fù)相關(guān)的變化特征。通過對肌氧的無創(chuàng)實(shí)時監(jiān)控,可以反映出訓(xùn)練效果,為無損傷監(jiān)測肌肉組織的代謝狀態(tài)提供了一種新的途徑。

(2)在短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練過程中,血乳酸、心率、主觀疲勞感覺之間具有極高度正相關(guān)性。所以在短時間高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練時,可以根據(jù)心率和主觀疲勞感覺等簡便測試的指標(biāo)來判斷訓(xùn)練的效果和疲勞程度。

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(編輯 孫君志)

Characteristics of Changes in Muscle Oxygen Content and the Related Indexes During High Intensity Interval Training

CHEN Wan1,TIAN Shibin2,LIU Qian1,ZHANG Xiaohui1,HUANG Chao1,LIU Zhenyu3,LI Yue4

Purpose:The paper is to explore the characteristics and regular patterns of dynamic changes of muscle oxygen content during high intensity interval training in swimmers and to analyze the correlation of blood lactic acid (LA),heart rate(HR),ratings of perceived exertion(RPE)before and after the training.Methods:Swimmers(n=15)from Shandong province were selected randomly for moderate intensity-intermittent modetraining.Each subject was instructed to step on cycle ergometer with all his effort for 30s,then a rest for 120s, and this behavior was repeated 3 times(3 repetitions=1 session,all together 2 sessions,the resting time between both sessions was 180-240s).Muscle oxygen parameters of vastus lateralis in subjects were continuously monitored;RPE and HR were collected at the end of each 30s cycling;10μl blood sample from fingertip for LA testing was collected before and after the training.Results:(1)During each 30s cycling,the oxygenated haemoglobin content(CHbO2)and oxygen saturation in local tissue(TOI)of vastus lateralis both decreased sharply,while the reduced hemoglobin(CHb)increased quickly;(2)For both sessions,the levels of LA,HR and RPE post-training were higher than those pre-training respectively(p＜0.01);(3)There were high correlations between LA,HR and RPE before and after training respectively(p＜0.01).Conclusion:(1) Near Infrared Spectroscopy could be used continuously and noninvasively in real time to monitor the dynamic changes of TOI,CHbO2and CHb of working muscles,which reflected the training effect during training session;(2)For the individual high intensity interval training,LA,HR and RPE are effective indicators for monitoring the training session.

High Intensity Interval Training;Near Infrared Spectroscopy;Oxygen Saturation;Blood Lactic Acid

G804.23 Document code:A Article ID:1001-9154(2015)05-0106-05

10.15942/j.jcsu.2015.05.020

G804.23

A

1001-9154(2015)05-0106-05

國家體育總局科研項(xiàng)目(2012B049)。

陳萬,博士,教授,研究方向:運(yùn)動與健身的生物學(xué)效應(yīng)研究,E-mail:chenwan@139.com。

1.山東體育學(xué)院,山東濟(jì)南250102;2.山東省微山縣實(shí)驗(yàn)中學(xué),山東濟(jì)寧277600;3.山東省體育科學(xué)研究中心,山東濟(jì)南250102;4.清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系,北京100084

1.Shandong Sport University,Jinan Shandong 250102;2. Weishan ExperimentalMiddle School, Jining Shandong 277600;3.Shandong Research Centre of Sport Science,Jinan Shandong 250102;4.Biomedical Engineering Department, Medical College of Tsinghua University,Beijing 100084

2015-01-01