梁景超

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基于近紅外光譜技術(shù)的個體無氧閾測試算法

梁景超

本研究詣在提出并檢驗通過近紅外光譜技術(shù)測試運(yùn)動員個體無氧閾的測試算法的合理性。以18名吉林省某足球俱樂部運(yùn)動員為實驗對象，在跑臺上進(jìn)行遞增負(fù)荷測試，期間采集受試者肌肉血氧相關(guān)參數(shù)與血乳酸。測試結(jié)束后，將基于近紅外光譜技術(shù)的無氧閾測試算法找出的受試者個體無氧閾，與通過血乳酸動力學(xué)變化曲線圖上找出的受試者的個體無氧閾相比對，以檢驗該測試算法的合理性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該測試算法找出的受試者個體無氧閾與通過血乳酸動力學(xué)變化曲線圖上找出的個體無氧閾相一致，說明該測試算法是合理的。

近紅外光譜技術(shù)；個體無氧閾；測試算法

目前，國內(nèi)外較為廣泛地認(rèn)為乳酸無氧閾大小可以用血乳酸濃度達(dá)到4mmol/L時的運(yùn)動強(qiáng)度、功率、耗氧量或最大攝氧量百分比來表示。然而有研究表明[1]，乳酸代謝存在較大的個體差異，遞增負(fù)荷運(yùn)動時血乳酸急劇上升時的乳酸水平在1.4～7.5mmol/L之間，而且不同運(yùn)動項目、不同運(yùn)動員及相同運(yùn)動員的不同訓(xùn)練階段，乳酸閾值都是變動的，需要根據(jù)不同運(yùn)動員的具體情況，提供針對性的有氧訓(xùn)練計劃，根據(jù)個體無氧閾的強(qiáng)度選擇最佳的訓(xùn)練強(qiáng)度。

通過近紅外光譜技術(shù)可以監(jiān)測到受試者在進(jìn)行遞增負(fù)荷至力竭期間氧合血紅蛋白含量出現(xiàn)較大幅度下降的現(xiàn)象，有學(xué)者稱其含量開始大幅度下降的點(diǎn)為“拐點(diǎn)”，并用實驗證明拐點(diǎn)的出現(xiàn)與無氧閾的出現(xiàn)高度相關(guān)，可以嘗試?yán)霉拯c(diǎn)來替代操作繁瑣、有創(chuàng)的個體無氧閾測試方法，進(jìn)行個體有氧能力和運(yùn)動訓(xùn)練效果的生理學(xué)評價。而拐點(diǎn)的確定較為主觀，因此本研究詣在提出并檢驗通過近紅外光譜技術(shù)測試運(yùn)動員個體無氧閾的測試算法的合理性。

1 實驗對象與方法

1.1 實驗對象

以18名吉林省某足球俱樂部運(yùn)動員為實驗對象，受試者均為男性，對本實驗知情同意。

1.2 實驗儀器

荷蘭產(chǎn)PortaLite實時無線血氧監(jiān)測系統(tǒng)、芬蘭產(chǎn)Polar團(tuán)隊系統(tǒng)Team2、德國產(chǎn)血乳酸鹽分析儀EKF-C-LINE、德國產(chǎn)h/p/cosmos專業(yè)級運(yùn)動跑臺。

1.3 實驗方法

1.2.1 實驗測試方案

首先讓受試者在跑臺上進(jìn)行15min熱身活動，速度為9km/h。休息5min后，取受試者靜息狀態(tài)下指尖血測試血乳酸，然后以9km/h為初始速度，每3min遞增1km/h的遞增方案進(jìn)行遞增負(fù)荷測試，每級負(fù)荷結(jié)束后讓受試者雙腳站在跑臺的兩側(cè)并取指尖血測試血乳酸，取后繼續(xù)進(jìn)行測試，直至受試者主觀力竭。力竭后2min、5min、10min取受試者指尖血測試血乳酸。

1.2.2 肌肉血氧相關(guān)參數(shù)的測定

使用荷蘭產(chǎn)PortaLite實時無線血氧監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測肌肉血氧相關(guān)參數(shù)，測試時選取股直肌為待測肌肉，待測點(diǎn)的位置為股直肌起止點(diǎn)連線的中點(diǎn)處。將傳感器探頭的縱軸平行于股直肌放置在待測點(diǎn)處，為防止汗水浸入探頭影響監(jiān)測精度，在探頭外包裹一層透光塑料薄膜,并用彈性繃帶覆蓋并固定住探頭。固定彈性繃帶的松緊度要適度,既要保持探頭與皮膚之間的良好接觸,避免在運(yùn)動過程中因探頭移動或脫落而造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,又不能壓迫肢體造成缺血，這樣會造成測試指標(biāo)的變化不明顯[2]。每次測試前均需進(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)的初始化,約2分鐘左右出現(xiàn)穩(wěn)定值后再開始正式記錄肌肉血氧相關(guān)參數(shù)，采樣頻率設(shè)置為1Hz，實驗數(shù)據(jù)經(jīng)高斯法(Gaussian)處理。

1.2.3 個體無氧閾測試算法

由于遞增負(fù)荷測試每級3min，PortaLite實時無線血氧監(jiān)測系統(tǒng)每1秒記錄一次參數(shù)值，所以將每級負(fù)荷的180個O2Hb的參數(shù)導(dǎo)入SPSS17.0中，然后將相鄰兩級的O2Hb進(jìn)行組間相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)會先呈上升趨勢然后出現(xiàn)一個下降趨勢，開始下降的第一個系數(shù)所對應(yīng)的兩個負(fù)荷等級，后者即為受試者個體無氧閾。同時，根據(jù)各個時刻測試的乳酸值繪出受試者血乳酸動力學(xué)變化曲線，并在曲線上標(biāo)定受試者個體無氧閾，從而檢驗兩種測試方法找出的受試者個體無氧閾是否一致。

2 測試結(jié)果

圖一 受試者A遞增負(fù)荷測試血乳酸動力學(xué)變化曲線

圖一為受試者A遞增負(fù)荷測試血乳酸動力學(xué)變化曲線，通過分析可知該名受試者的個體無氧閾出現(xiàn)在第4級負(fù)荷，個體乳酸閾為4.9mmol/L。

表1 受試者A遞增負(fù)荷測試相鄰兩級O2Hb參數(shù)相關(guān)性

表1為受試者A遞增負(fù)荷測試期間相鄰兩級負(fù)荷O2Hb參數(shù)相關(guān)性，第1級與第2級負(fù)荷O2Hb參數(shù)相關(guān)性為0.78，第2級與第3級為0.802，第3級與第4級為0.764，第4級與第5級為0.912，第5級與第6級為0.866，第6級與第7級為0.842。通過分析可知該名受試者的個體無氧閾出現(xiàn)在第4級負(fù)荷。

3 分析與討論

監(jiān)控運(yùn)動時骨骼肌內(nèi)氧供應(yīng)與氧消耗的狀況對于了解運(yùn)動時人體的身體機(jī)能狀況、科學(xué)指導(dǎo)運(yùn)動訓(xùn)練、評價訓(xùn)練效果等有著重要的參考價值。進(jìn)入血液的O2只有約1.5%溶于血漿，98.5%進(jìn)入紅細(xì)胞并與血紅蛋白(Hb)結(jié)合形成O2Hb[3]。在骨骼肌中，O2Hb釋放出O2后，能夠有效地接受[H]+形成HHb。當(dāng)血液流經(jīng)肺部時，HHb從肺泡中攝取O2形成O2Hb和[H]+，O2Hb會再次隨著血液到達(dá)骨骼肌中為骨骼肌提供氧氣。而波長為700900nm的近紅外光對人體有良好的穿透性，此波段中O2Hb和HHb是主要的吸收體，且二者的吸收譜存在顯著差異[4]，因此可以應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)實時監(jiān)測運(yùn)動骨骼肌在不同負(fù)荷運(yùn)動時這兩項參數(shù)含量的變化，使人體骨骼肌內(nèi)的氧供應(yīng)與氧消耗狀況可以通過無創(chuàng)的方法進(jìn)行監(jiān)測，為監(jiān)測人體運(yùn)動中骨骼肌內(nèi)的氧供狀態(tài)提供了新的途徑[5]。

在遞增負(fù)荷測試中，血乳酸濃度隨運(yùn)動負(fù)荷的遞增而呈逐漸增加的趨勢，當(dāng)運(yùn)動強(qiáng)度達(dá)到某一負(fù)荷時，血乳酸濃度急劇升高，我們將血乳酸濃度急劇升高的起始點(diǎn)稱為乳酸無氧閾。乳酸無氧閾標(biāo)志著運(yùn)動員的機(jī)體從有氧代謝狀態(tài)轉(zhuǎn)變成為無氧代謝狀態(tài)。

有研究稱[6]，運(yùn)動員在功率自行車上做遞增負(fù)荷測試期間，通過近紅外光譜可以檢測到其股直肌的O2Hb會出現(xiàn)迅速下降的現(xiàn)象，有學(xué)者稱其含量明顯下降的點(diǎn)為“拐點(diǎn)”,并用實驗證明拐點(diǎn)的出現(xiàn)與無氧閾的出現(xiàn)高度相關(guān)。但通過跑臺做遞增負(fù)荷測試，并不能輕易找到“拐點(diǎn)”，這可能與運(yùn)動形式不同以及每級負(fù)荷結(jié)束后受試者需要靜止采集指尖血有關(guān)。

“拐點(diǎn)”出現(xiàn)之前，受試運(yùn)動員體內(nèi)以有氧供能方式為主。當(dāng)進(jìn)行低負(fù)荷運(yùn)動時，其骨骼肌主要募集的是慢肌纖維，慢肌纖維中儲存有一定量的氧，肌紅蛋白的含量也比較豐富，毛細(xì)血管網(wǎng)較為發(fā)達(dá)，線粒體體積大而且多，線粒體中的有氧代謝酶活性較強(qiáng)，因而慢肌纖維具有較強(qiáng)的有氧代謝能力，使得O2Hb含量下降較少[3]。隨著運(yùn)動強(qiáng)度的加大，骨骼肌募集的快肌纖維開始逐漸增多，骨骼肌肌細(xì)胞內(nèi)外乳酸等各種酸性代謝產(chǎn)物的顯著增多并開始積累,PCO2和[H]+濃度增高,由于波爾效應(yīng)使血紅蛋白對O2的親和力下降,氧離曲線右移，從而釋放出更多的O2，透入肌肉的近紅外光便檢測到HHb含量增多而O2Hb含量顯著減少[8]。

所以通過對“拐點(diǎn)”的分析可知，無氧閾前后O2Hb的含量會出現(xiàn)較大幅度的變化，而無氧閾之前O2Hb的含量變化幅度較小，因此可以將各級負(fù)荷期間的O2Hb參數(shù)進(jìn)行采集并做組間相關(guān)性分析，出現(xiàn)無氧閾的級數(shù)與前一級O2Hb參數(shù)相關(guān)性相對其它相鄰兩級負(fù)荷的O2Hb參數(shù)的相關(guān)性較小，所以可以用此方法測試運(yùn)動員個體無氧閾。同時通過血乳酸的值繪出的血乳酸動力學(xué)曲線上的個體無氧閾進(jìn)行驗證發(fā)現(xiàn)兩種測試方法的結(jié)果是一致的，說明該數(shù)據(jù)處理方法是合理的。

4 結(jié)論

通過將受試運(yùn)動員遞增負(fù)荷測試期間相鄰兩級的O2Hb參數(shù)進(jìn)行采集并做組間相關(guān)性分析，可以測試出受試運(yùn)動員的個體無氧閾，該結(jié)果與通過測試遞增負(fù)荷各個時刻的乳酸值得出的受試者個體無氧閾相一致，說明該測試算法是合理的。

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Individual Anaerobic Threshold Measurement Algorithm Based on Near Infrared Spectroscopy

Liang Jingchao

In this study, the author proposes and tests the rationality of the test algorithm for determining the anaerobic threshold of an athlete by near-infrared spectroscopy. In this study, 18 athletes from a football club in Jilin province are used to carry out the incremental load test on the running table. The blood oxygen parameters and blood lactate are collected during the test. After the end of the test, the subject & apos; anaerobic threshold, as determined by an anaerobic threshold test algorithm based on near-infrared spectroscopy techniques, compare to the subject & apos; anaerobic threshold determined by the blood lactate kinetic change profile, to test the reasonableness of the test algorithm. It was found that the individual anaerobic threshold found by the test algorithm was consistent with the anaerobic threshold of the individual found on the blood lactate kinetic curve, indicating that the test algorithm was reasonable.

near infrared spectroscopy; individual anaerobic threshold; the test algorithm

吉林體育學(xué)院研究生科研創(chuàng)新基金資助項目(項目編號：YC2016029)

梁景超(1993-)，男，遼寧沈陽人，在讀碩士研究生，研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)。

吉林體育學(xué)院，吉林 長春 130022

Jilin Sport University, Changchun 130022, Jilin, China.

G804

A

1005-0256(2016)012-0048-2

10.19379/j.cnki.issn.1005-0256.2016.012.021