（运动人体科学专业论文）近红外光谱技术监测赛艇运动员有氧代谢能力的研究.pdf

摘要 研究目的：本实验应用n i r s 技术无损监测赛艇运动员在递增负荷运动时骨骼肌氧含 量的变化特点，同步监测气体代谢各指标的变化情况，并分析二者之间的相关关系， 为运动员有氧代谢能力的评定探讨出一个新的检测指标，为指导运动训练奠定理论基 础。 研究方法：武汉体育学院1 8 名男子赛艇运动员自愿参加实验，受试者在赛艇测功仪 上进行递增负荷运动，开始实验前都需检测被试者安静状态下的肌氧水平、气体代谢 情况及安静心率，并进行5 分钟无负荷的准备活动。实验开始，以5 0 w 起始，每3 m i n 为一级加5 0 w ，逐级递增，直至力竭( 运动员不能维持实验要求的功率) 。运动时，利 用n i r s 连续检测右侧股外侧肌氧含量相对变化，同时进行气体代谢分析，运动全程 遥测心率。 研究结果：在递增负荷运动时，肌氧含量在前2 级负荷( 5 0 一1 0 0 w ) 缓慢下降，当负 荷增加到第3 级( 2 0 0w ) 以后，则下降幅度明显加大。继续增加负荷发现，肌氧不 再随负荷的增加而下降，因此，肌氧含量相对变化精确反映了运动负荷的变化。同时 检测到的气体代谢各指标的变化与运动负荷的递增相吻合。通过分析比较，肌氧含量 相对变化与摄氧量( r = 0 9 8 9 ，p 0 。0 1 ) 和肺通气量( r = 一o 9 7 2 ，p o 0 1 ) 的变化具 有高度相关性；与心率曲线变化也高度相关( r = 0 9 2 6 ，p 0 0 5 ) 。但不同的是肌氧 出现拐点所对应的时间和强度都要稍先于气体代谢各指标。 研究结论：在递增负荷运动中，运动起始阶段肌氧含量随运动负荷的逐级递增而缓 慢下降，继续增加到大强度时，肌氧含量则急剧下降，但不会接近于零，而是下降到 一个较低水平后不再随运动负荷的变化而变化，因此，肌氧含量的相对变化能准确反 映出运动负荷的变化，而且表明在运动中肌氧含量也存在一个临界值，即就是学者们 常提及的“拐点 。此外，在本实验中还发现：气体代谢的变化所对应的时间和运动 负荷稍滞后于肌氧含量的变化，而且肌氧含量相对变化与气体代谢各指标高度相关。 因此，通过n i r s 技术无损伤性测定的肌氧含量相对变化可以取代监测气体代谢状况， 并可以评估骨骼肌有氧代谢能力。 关键词：近红外光谱技术，肌氧含量，有氧代谢能力，递增负荷运动 a b s t r a c t o b j e c 晰e ：弧i ss t u d ye x 锄i l l e d 也e 他l a t i o n s h i pb e t 、nt h ef e l ：a t i v ec h 柚g eo fs k e l e t a lm u s c l e o x y g e nc o n t e n t0 fr o w i l l g b o a ta t h l e t e si l lt h ep r o c e s so fg r a d 9e x e r c i s i n g ，嬲m e a s u r e db yn e 缸i n f i a r c d s p e c n d s c o p y ，觚dt h ec h a n g eo ft l l eg 嬲m e t a b o l i s m 嬲锄i l l d 懿0 fe v a l u a t i 衄6 f 北r o b i cc a p a c i t y0 f f o w i n g b o a ta t l l l e t e s m e t h o d s ：1 m es k e l e t a lm u s d eo x y g e nc o n t e n t0 fr i 曲tq u a d r i c c p sf c m o r i s ，g a sm e 组b o l i s m 蠲dh e a i tt a t e0 fe i 曲t e 蚀h e a l t h yv o l u n t e e rm a l er o w i i l g b o a to fw u h 孤c o l l e g eh a v e b e 衄e x 锄i l l e db e f o r cm ec x e r c i s i n 舀t h 钮s u b j e c t sd 0w 抽n i n g - u p5m i n u t e s s u b j e c t s p e 哟m e di n c r 锄e n t a ll o a dt h a tb e g i l la t5 0w a t t s ，t h e n 5 0w a t t sa d d e de v e r y3 m i nu n t nt o s u b j e d sc a l ln o tt 0 1 e m tl o a do nar o 、i n ge r g o m e t e r t h es k e l e 协lm u s d eo x y g e nc o n t e n t o fr i g h tq u a d r i c e p sf c m o d s ，g - a sm e t a b o l i s ma n dh e a nr a t co fs u b j e c sh a v e b e e ne x 彻i n e d i nt h ep r o c e s s0 ft h ee x e r d s i l l g r e s u l t s ：t h es k e l e t a lm u s d eo x y g e nc o n t e n t0 fi i g h tq u a d r i c 叩sf e m o r i sd e c r e 弱es l i g h t l y a tt h e 舯d e1 觚d 笋a d e2 ( 5 0 1 0 0 w ) ，a tt h c 蓼a d e3 ( 2 0 0w ) ，删c hd e c r e a s er e m a r k a b l y t h es k e l e t a lm u s d e0 x y g 钮c 0 毗e md 0n o td e c r e 弱ew i t l lt h ei n c r e 瑟i n gw o 越o a d sw h 蛐 t h ew o r k l o a d 多a tal e v e l s ot h er c l a t i v ec ：h a n g eo fs k e l e t a lm u s d eo x y g e nc 0 n t e n te ) 【p r c 豁 t h ev a r i o u sw o r k l o a d s a tt h es a m et i i n c ，l h i s 咖d ye x a m i n c dt h a t 也ec h 锄g e s0 fg 勰 m e t a b o l i s mc o n s i s t e mw i t ht h ei n c r e a s i n gw o r i 【l o a d t h e 觚a l y s e ss h o w e 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o n e db ys c h o l a r s i na d d i t i o n ，t h er e s u l ts h o w s ：t l l et i m e 柚dt h e i l l t e n s i t y0 ft h es k e l e t a lm u s c l eo x y g e nc o n t 明ta p p e a r 觚“i i l f l e x i o n ”d u r i n gi n c r e m e n t a l e x e f c i s ea r ce a r l i e rt l l a nt h eo t l l e r s ，a l s os h o w e d 也a tt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns k e l e t a l m u s d e0 x y g e nc 0 n t 锄t 强do t h e rt a r g e t0 fg a sm e t a b o l i s ma r cs i 印i f i c 强lc 0 玎e l a t i o n t h e r e f o r c ，t h ec h 锄g eo fs k e l e t a lm u s c l eo x y g e nc 0 n t e n tm e a s u r e db ym r sc a l lr 叩l a c c s t h es u p e i s i o no fg a sm e 讪o l i s m ，t o a l u a t e sa e r o b i c ( 却a c i t y0 fs k e l e t a lm u s d e s 1 哟r - w o r d s ：n e 盯h l _ i j f a r c ds p e c n 0 s c o p y ， s k e l e t a lm u s d e0 x y g e n ，a e r o b i cc 印a d t y b l ( ：r e m e n t a ll o a d 量& e r c i s e 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下独立进行研究工作取得的研究成果。除 了文中特别加以标注引用的内容和致谢的地方外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的研究成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期：口多年莎月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解武汉体育学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以 供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文，并编入有关数据库。 作者简介 丁攀，女，汉族，中国共产党员，1 9 8 2 年1 1 月出生于湖北黄冈。2 0 0 1 年毕业于 湖北大学体育学院运动人体科学专业，获得体育教育学学士学位。同年以优异的成绩 考入武汉体育学院研究生部，专业是运动人体科学专业，研究方向是运动训练生物医 学监控。在三年的研究生学习期间，除了认真学习本专业及相关的基础理论课程，修 满全部学分外，还辅修了乒乓球、羽毛球、游泳等技术课程。 1 在2 0 0 6 年1 0 月2 0 0 8 年1 月期间，被武汉体育学院解剖教研室聘为运动解 剖学课程任课老师。此外，2 0 0 6 年寒假期间在湖北省体育科学研究所从事青少年 运动选材工作，熟悉了骨龄的判别和不同运动项目运动员选材各指标的检测，对采集 的数据进行了相关的统计学处理，并结合运动技术专项进行分析。 发表论文和学术会议入选论文 赛艇双桨技术动作的解剖学分析及专项力量训练发表于武汉体育学院学报 2 0 0 6 年第0 7 期 肌氧含量相对变化与气体交换率关系的探讨入选2 0 0 7 年“上海国际运动医 学论坛修( 上海，2 0 0 7 1 0 ) 令 近红外光谱无损监测肌氧在间歇训练中的应用入选2 0 0 7 年第六届“华人运 - _ 动生理与体适能学者学会年会 ( 广州，2 0 0 7 1 2 ) 参加的课题研究 2 0 0 7 年国家自然科学基金面上项目“近红外光谱技术在耐力训练中对肌氧监测 的实现及应用 ( 3 0 7 7 0 5 4 4 ) 近红外光谱技术监测赛艇运动员有氧代谢能力的研究 2 0 0 8 武汉体育学院硕士学位论文 1 前言 国民经济的迅猛增长，大力推动了社会的进步和科学技术的发展，使得人们的生 活水平得到了极大的提高，更加注重体育运动，保持身心健康。同时，体育运动的竞 技水平更能反映一个国家的综合国力。当今，体育运动训练正处在一个重大的变革 时期从经验训练的模式向科学化训练的转变。那么，在体育运动训练中怎样才谈 得上是科学化训练呢? 严格地说，体育运动的科学训练不仅需要掌握专项技术的一般理论与方法，更重 要的是要把握好运动员在训练时机体所能承受的生理负荷，包括负荷强度和负荷量两 个方面，它反映着运动员在训练过程中人体生理机能所发生的一系列变化。运动负荷 过小，运动能力与水平不能得到很好的提高；运动负荷过大，不仅不能提高运动成绩， 反而会造成由于过度训练而引起的运动损伤。而运动负荷的掌控又是以生理学为基础 n 1 ，即有赖于对运动员在运动时体内的一系列生理生化反应准确j 及时的检测。因此， 在运动训练中，合理地运用基础理论和实验技术，利用生理生化指标科学客观地对运 动员进行机能评定，是运动选材、控制训练负荷、判断运动性疲劳、防止运动损伤以 及提高运动竞技能力的重要手段与方法拉3 。 迄今为止，世界各国优秀运动员生理机能检测和评定的生理生化方法尚未系统化 和科学化。许多生理生化指标因受取样方式和测试方法的限制，难以在运动实践中 得到应用和推广，不便于教练员及时掌握队员的生理机能状况。长期以来，在对生 理机能评定和对运动训练效果的评定指标选择上，常用的指标有最大摄氧量 ( v o 揶a x ) 、无氧阈( a n a e r o b i ct h r e s h 0 1 d ，a t 、血乳酸( b 1 0 0 dl a c t a t e ，b l ) 和心率 ( h e a r tr a t e ，h r ) 等。其中，有氧能力的评定对从事耐力项目运动员评估耐力水平、 安排训练强度、评价训练效果、预测运动成绩等方面有重要的实际应用价值u 一1 。目 前有氧能力的评定最常用的指标有最大摄氧量( m a x i m a lo x y g e ni n t a k e ，v 0 2 m a x ) 和无氧阈( a n a e r o b ict h r e s h o ld ，a t ) 。v 0 ：m a x 的直接测试要求有一定的条件，很 难推广和应用。a t 通常用血乳酸开始急剧升高的拐点( 即乳酸阈l a c t a t e t h r e s h o l d ，l t ) 或通气与气体的交换改变( 即通气阈( v e n t i l a t o r yt h r o s h 0 1 d ，v t ) 时所对应的强度( v 0 2 m a x ) 或功率来表示。但到目前为止，对血乳酸的测定还是 采用离体检测的有损方法，不能实现与运动同步监测，在运动实践的应用中仍然存 在诸多不便。因此，诸多学者对该问题提出质疑。 近年来，有研究发现肌氧也可作为评价运动员机能能力的一项重要生理指标，可 以帮助教练员更准确、及时地了解运动员在运动时的机能状况，合理地安排训练计 划，避免过度疲劳，提高运动成绩。但当时还只是采用离体检验的有损方法测量运 动员肌肉血氧含量，。因此，探索一种实时、连续、无创的监测方法来取代有创监测 的问题引起运动医学界的极大兴趣。 随着体育科学的快速发展，一项无创性检测方法近红外光谱学技术 ( n e a r i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ，n i r s ) 倍受关注，它使得无损监测体内氧合血红蛋白 ( h b 0 ：) 和还原血红蛋白( h b ) 的变化成为可能口吲。由于这一技术可实时监测运动时组 织氧合状况，观察组织中血容量的变化和局部肌肉氧的供给与消耗的动态变化。而 肌肉和血液中氧含量的变化将直接影响到运动员的运动能力，如果运动中氧的消耗 大于氧的供给，机体无氧代谢比例将增大，乳酸生成增多，进而加快运动疲劳的产 生。从运动生理学角度分析，有氧能力评定的常用指标v o ：m a x 和a t 与氧合血红蛋 白的解离存在密切的关系h 3 。因此，如果能了解运动时体内尤其是运动骨骼肌内氧 近红外光谱技术监测赛艇运动员有氧代谢能力的研究 2 0 0 8 武汉体育学院硕士学位论文 的摄入与氧的利用状况，这将对掌握运动时人体的身体机能状况、人体对不同强度 负荷的适应以及掌握训练强度、评价训练效果，制定合理的训练计划和判断运动 疲劳等有很重要的意义。因此，本实验应用国际最新研究成果酬i r s 方法对男 子赛艇运动员在递增负荷运动中局部肌氧含量的变化进行无损、连续、实时监测， 并与同步监测到的气体代谢各指标的变化情况作比较分析，以探讨肌肉组织氧含量 的相对变化与气体代谢状况相关关系，进而为有氧代谢能力的评定提供一个新的监 测指标，并为无损监测训练强度，判断运动疲劳及运动选材等提供一个既简便又准 确的方法。 2 近红外光谱技术监测赛艇运动员有氧代谢能力的研究2 0 0 8 武汉体育学院硕士学位论文 2 文献综述 气体代谢是反映能量代谢的直接指标，与机体能量代谢及机能能力有密切关系。 不同形式、不同负荷运动能量代谢和效率都不相同，由此表明运动过程中气体代谢变 化既受运动负荷的影响，又有运动形式的差异。有研究结果得出：在全部有氧运动项 目中赛艇运动员的机能要求最高，与中长跑、自行车等有氧运动项目相比，赛艇浆手 的最大摄氧量居首位呻9 3 。在赛艇运动中，全身有7 0 以上的肌肉参与运动。赛艇比赛 中能量消耗很高，全程大约需要5 5 到8 分钟，比赛中平均功率是4 5 0 到5 5 0 w ，三 大能量代谢系统中，有氧代谢水平都力求达到最大值n 羽。但是机体有氧运动能力大 小取决于运动时心肺耦联过程中的每一个环节，即通气和气体交换，心血管功能以及 参与运动的肌肉对氧的摄取和利用的能力n 纠副。因此，准确地测定运动中机体的呼吸 代谢和心律的变化f 同时监测运动时肌肉组织中氧的变化，是客观评价机体有氧运动 能力的关键。 2 1 赛艇运动的能量代谢特点 一 有人引曾经在实验室利用赛艇测功仪模拟赛艇2 0 0 0 米的比赛，观察运动员气体 代谢情况，发现在起航后的3 0 秒内，吸氧量水平即上升到了受试者最大吸氧量水平 的8 0 左右，整个比赛过程中的平均吸氧量水平占最大吸氧量水平9 2 9 卜9 3 左右，运 动后3 5 分钟内采血所获得的血乳酸值为1 2 1 5 m m 0 1 l 。观察到的这个结果与国外 的研究报道相吻合，说明在赛艇比赛中有氧供能系统起着主导作用。如果要算各个供 能系统在赛艇比赛过程中的净供能比例，有氧氧化占到8 0 以上。其次就是乳酸供能 系统，在赛艇比赛中的供能比例不大，但其重要性并不因供能比例小而变小。当运动 开始，运动员机体对能量的需求就达到了最高，在前3 0 秒钟内有氧氧化供能途径尚 在提高阶段，a t 卜c p 系统的供能也只能维持几秒钟，这时乳酸供能系统以较快的动 员速度和较长的供能时间起到了主导作用。但在运动员群体中，个体骨骼肌的组成成 分( 如快肌、慢肌) 、代谢特点( 有氧能力、无氧能力) 和比赛中的运动方式等存在 极大的差异，因此，每个部分肌肉产生乳酸的量和消耗乳酸的量也不同。此外，供能 速度最快的a t p c p 系统，是随时待用的，因此运动开始的供能非它莫属。人们称之 为缓冲作用，因为a t p 和c p 在乳酸供能系统和有氧供能系统充分调动起来之前发挥 作用，具有时间上的缓冲作用；线粒体产生的a t p 不能靠扩散作用到达肌球蛋白，而 要依耐胞浆中c p 为递体，将高能磷酸键传递到肌球蛋白附近的a d p ，使之成为a t p ， 故又称之为空间缓冲作用。 2 2 有氧能力评定指标的概述 有氧能力是人体对氧的最大摄取、输送和运用的能力。有氧能力的评定指标很多， 常用的指标有v 0 2 m a x 、l t 、b l 和h r 等。其中v 0 2 m a x 是反映有氧能力的综合指标，a t 则反映了机体高水平利用氧而不产生可致疲劳的代谢产物的能力，最大摄氧量平台的 持续时间( v 0 2 m a xp d ) 则反映了在不利的代谢环境下，人体机能调节系统和氧运输 系统维持高水平的氧供应或v 0 2 n l a x 的能力以及机体利用氧的综合能力，这三个指标 全面评价人体的有氧能力。 一 2 2 1 最大摄氧量( x j m a io x y g e ni n t a k e ，v 0 2 m a ) 及其应用 最大摄氧量是指人体在进行有大量肌肉群参加的有氧力竭性运动中，当心肺功能 近红外光谱技术监测赛艇运动员有氧代谢能力的研究 2 0 0 8 武汉体育学院硕士学位论文 和肌肉利用氧的能力达到本人极限水平时，人体单位时间内( 通常以每分钟为计算单 位) 所能摄取并被利用的氧量。即就是，人体在剧烈运动时呼吸循环机能达到极限水 平，每分钟所摄入并被人体利用的最大氧气量。它反应了机体吸入氧、运输氧和利用 氧的能力，是评定人体有氧工作能力的重要指标之一。 v o ：m a x 通常用绝对值和相对值表示。绝对值是指机体在单位时间内所能吸入的最 大氧量，常以l m i n 为单位；相对值则是技每千克体重计算的最大摄氧量，以 m 1 k g m i n 为单位。由于人的个体间身高和体重存在较大差异，因此，用最大摄氧量 的绝对值进行个体间的比较是不适宜的，而相对值消除了体重的影响，在个体间进行 比较更能反应一个人的最大摄氧量水平。我国成年男子最大摄氧量约为3 0 3 5 l m i n ，相对值为5 0 _ - 5 5 m 1 k g m i n ；女子较男子略低，其绝对值为2 0 _ 屹5l m i n ， 相对值为4 0 - 5m 1 k g m i n 。 2 2 1 1v o ：m d x 的生理基础 v 0 2 m a x 的影响因素繁杂，经众多学者的不断深入研究，已经取得很大进步，但仍 然是众说纷纭。概括起来说，有吸入气中的氧含量；肺通气量；氧从肺泡内向血红蛋 白的弥散；血红蛋白的含量、血容量、心肺的泵血能力、血流的分配：肌肉组织的供 血能力；工作细胞被毛细血管的弥散；静脉的回流；线粒体将有氧代谢产生的能量供 给a t p _ a d p 的机构效率以及神经肌肉系统的机能等等，但众所周知，v 0 2 i i l a x 水平的高 低主要还是取决于心室的泵血功能和身体各组织细胞，尤其是骨骼肌细胞摄取和利用 氧的能力。 剧烈运动时，肌肉的血流量将比安静时增加约2 0 倍，活动的肌肉有充足的血液 供应，是肌肉摄取氧的源泉，心室泵血量的增加是保证肌肉血流量激增的一个重要前 提。许多科学研究成果显示出，v 0 2 m a x 与最大心输出量有密切关系。一般人最大心输 出量约2 0 l m i n ，而有训练的耐力项目的运动员可达到3 0l m i n ，个别优秀运动员 可达更高值。据报道，男子最大摄氧量值为越野滑雪运动员，可达9 4 m l k g m i n ，女 子最高值达8 5 1m l k g m i n 。 2 2 1 2v 0 2 n l a x 的测定方法 ( 1 ) 直接测定法 v 0 2 飓x 的直接测定法是指运动员在运动场或在实验室利用自行车测功计、运动 平板或一定高度的台阶实验等进行极限运动，使用气体分析仪直接测定摄氧量。当运 动负荷逐级递增加，强度逐级增大时，v 0 2 逐级增加并与心率呈线性关系；当强度达 到一定以后，v 0 2 不再随心率增加而出现平台，此时，所获得的v o 。数据就是受试者的 最大摄氧量。但在直接测定最大摄氧量时，通常需要遵循以下判断标准：心率大于 1 8 0 次分( 少儿达2 0 0 次分，马拉松运动员相对低一些) ；呼吸商( r q ) 达到成 绩接近1 1 5 ，血乳酸大于7 _ _ 8 咖o l l 。摄氧量随运动负荷增加而出现平台( 持续 运动时，相邻两次负荷摄氧量的差别在1 5 0 m 1 m i n 以下或2 m 1 k g m i n 以下) 或下降。 受试者已发挥最大力量并无力保持规定的负荷即达精疲力竭。一般情况下，负荷以 以上四项标准中的三项即可判定达到v o 棚a x 。 ( 2 ) 间接推算法 v 0 2 m a x 的间接推算方法是指受试者进行亚极量运动时，根据其心率、摄氧量或达 到某一定量心率的做功量等数值推算或预测出v 0 棚a x 的方法。国内外使用较普遍的 间接推算法是瑞典学者a s t r a n d r y h i i l i n 列线图法。即根据亚极量负荷时测得的摄氧 4 近红外光谱技术监测赛艇运动员有氧代谢能力的研究2 0 0 8 武汉体育学院硕士学位论文 量与心率的线性相关关系而绘制的推算v 0 ：m a x 列线图。它较适用于一般常人和运动 水平较低者。而优秀运动员用此方法推算获得的数值常与实测值有较大的误差。用间 接法推算v o m a x 具有简易、经济、快速等优点，但在实际测试过程中应考虑一些误 差因素的影响，例如，年龄、性别、遗传以及运动员的训练因素等。 2 2 2 无氧阈( a n a e r o b ict h r e s h old ，a t ) 的生理机制及测试方法 a t 是指人体在递增负荷运动时，由有氧代谢供能开始转换成无氧代谢供能的临界 点。韦泽曼首先在运动员中用递增负荷的变化进行观察表明：在运动的前一部分，吸 氧量与肺通气量的变化呈线性相关递增，但当达到某一临界值时，摄氧量与肺通气量 递增的线性相关消失，肺通气量的增加远大于摄氧量的增加。韦泽曼把这一丧失线性 相关的临界点称为无氧阈。 无氧阈在运动耐力的评定、训练强度控制方面都有重要的实际意义。最大摄氧量 虽然是评定有氧运动的可靠指标，但随着运动员的有氧能力的的不断提高，运动成绩 也在不断增长，运动员的最大摄氧量并没有相应提高。因此，运动员有氧能力的提高 不仅取决于心血管系统的改善，还与骨骼肌氧化代谢能力密切相关，即在长时间持续 运动中，血乳酸没有明显堆积之前能够达到的摄氧能力。实验证明，由w a s s e r m a n ( 1 9 7 3 ) 等常用的“无氧阈 强度进行训练，可以发展最大有氧能力，从而可以有效 地提高耐力项目的成绩。近几年来，国内外已经有人开始用无氧阈评定运动员的有氧 能力以及选择有氧训练的适宜强度，以改善和提高运动员的最大有氧能力。 a t 是指在某一特定的运动负荷和由此产生的一系列生理生化变化，因此，可通过 气体代谢、血乳酸和心率等指标测定无氧闽，即乳酸阈、通气阈、心率无氧阈。与 v 0 椰a x 进行比较，有研究表明，v 0 2 m a x 与a t 密切相关，其相关系数达到o 8 5 ，且在 有氧能力方面，运动员的有氧能力高低不仅取决于最大摄氧量，也与无氧阈有密切关 系。因为最大摄氧量只反映氧的摄入能力，而无氧阈能更精确地反映骨骼肌对氧的利 用能力。因此，最大摄氧量和无氧阈一直被认为是评定运动员有氧能力的最常用指标。 被用于评定运动员运动能力和评价训练效果；预测运动成绩：安排有氧训练和无氧训 练的强度等。同时，最大摄氧量还可以反映运动员在不同训练状态时心肺功能的变化， 可以为运动员选材提供生理指标，但在选材方面，根据大量资料查明n ，二者还存在 一定的差异，最大摄氧量的8 5 取决于遗传，而无氧阈只有5 4 取决于遗传。即就是 说，无氧阈可以通过训练大幅度地提高，而最大摄氧量通过后天训练提高的幅度较小。 2 2 3 最大摄氧量平台( v o 棚a xp 1 e t e a ud u r a t i o nv 0 2 m a x p d ) 的测量及应用 众所周知，最大摄氧量与耐力项目的运动成绩密切相关( r = 0 6 4 ) n 钔，最大摄 氧量与运动成绩成正比。但随着研究的不断深入，学者们发现在最大摄氧量评价运动 员有氧能力时存在很多不足。随着运动员训练水平的提高，高水平耐力运动员的最大 摄氧量值已很难增加，并且无氧阈值也越来越高，占最大摄氧量的比例越来越大，甚 至接近最大摄氧量。如2 英里长跑世界纪录保持者d o nl a s h 的最大摄氧量就已经达 到8 2 m l k g m i n 。从那时起，世界耐力项目的运动成绩已有大幅度的提高，而长跑运 动员的最大摄氧量却增加不多，当今世界长跑纪录保持者的最大摄氧量约为 8 5 m 1 k g m i n 。显然，除了运动技术的进步、运动设施的完善等因素外，还有其他因 素制约着运动成绩的提高，或者说可能还会有其他指标来评价有氧能力。因此，这一 问题引起众多学者们的关注。国内外学者在这一基础之上进行了深入研究，经研究发 现了一些最大摄氧量的派生指标，如最大摄氧量平台期持续时间，最大摄氧量速度等， 5 近红外光谱技术监测赛艇运动员有氧代谢能力的研究2 0 0 8 武汉体育学院硕士学位论文 研究者们认为这些指标对有氧能力的评定应该有更广泛的应用前景。随后，国内学者 陆少中n 9 1 首次提出了最大摄氧量平台期持续时间( v 0 2 m a xp l e t e a ud u r a t i o n ， v o ：m a x p d ) 即就是在递增强度运动过程中维持在v 0 2 m a x 水平的持续时间，并且大量实 验证明v 0 ：m a x p d 与有氧运动能力存在显著相关。所以这一发现对有氧耐力评定、耐 力项目运动员的选材及运动训练都有一定的指导意义。 2 2 3 1v 0 2 m a p d 的测量 v 0 2 m a x p d 的测定方法是v o ：m a x 的直接测定法的延续，递增负荷运动时分析呼出气 体成分测得最大摄氧量，达到最大摄氧量后，持续运动直到不能维持该负荷为止的时 间。由于有些非训练的受试者，在心肺功能还未达到最高水平之前，由于乳酸的堆积， 消除乳酸的能力较低，或者受试者意志品质不够坚强等原因导致不能完成实验，平台 现象不能出现或是出现不明显。故根据受试者的实际情况合理安排负荷强度以及运动 的时间间隔需要在更广泛的人群中得到完善。在采用b r e a t hb yb r e a t h 法时，所获 得的摄氧曲线是无规则的，首先必须对摄氧曲线进行平滑，采取过长或过短的时间间 隔都会影响对平台的判断。对国外学者最大摄氧量平台界定标准的问卷调查显示：最 大摄氧量平台的界定因不同的实验目的、实验条件而各不相同洲。有研究报道，目前 国内外文献显示n 钉，v 0 2 i i l a x p d 的判定方法有两种：其一，“在测定气体代谢各指标时， 都随着运动负荷的递增，然而，当摄氧量增长到一定程度后，摄氧量的增长落后于肺 通气量的增长，达到v o 椰a x 后不再增长呈平台状态( 运动平台开始时的运动负荷称 为的v o 棚a x 临界强度，即达到v o 棚a x 所需的最低强度) ，与肺通气量出现分叉，根据 分叉的情况及摄氧量值与v 0 2 m a x 的差值不超过1 5 0 m 1 m i n 的原则确定v 0 2 m a x p d ( 运 动平台结束时的运动负荷称为v 0 揶a x 的最高强度) ；其二，连续测定气体代谢指标， 把低于v 0 2 m a x 值5 以内的值视为v 0 2 m a x 平台范围内值啪1 。但在评价极限负荷强度下 的耐受能力时，针对不同人群如何选择最适合的摄氧量曲线平滑方法以及平台范围的 界定标准尚待进一步研究。 2 2 3 2v 0 挪a x p d 的应用研究现状 陆绍中心1 1 发现两组不同等级羽毛球运动员的v 0 2 m a x 和v 0 2 i n a x p d 都有显著差别，并 且发现运动员的v o 棚a x p d 与跑台运动能力高度相关( r = 0 7 2 3 ，p 0 0 1 ) ，与长时间 运动能力也密切相关：h b 和运动后乳酸的消除快慢是决定有氧能力的重要因素之一， 2 0 0 2 年洪平、李开刚等人发现男子游泳运动员的v 0 2 m a x p d 与h b 相关达到显著水平， 男女运动员v 0 2 m a x p d 与乳酸消除率均呈极显著相关啤1 ；同年王翔发现普通大学生 v 0 2 m a x p d 与1 2 m i n 跑成绩呈极显著相关1 。以上实验均显示v o 椰a x p d 与v o 揶a x 的相 关系数很低( r = 0 3 ) ，制约两者水平高低的生理因素不同，并提出v 0 2 m a x p d 是反映人 体有氧耐力更值得进一步研究推广的指标。近年来，我们运动医学和运动训练学界相 继在游泳和赛艇运动的训练和研究中采用v 0 ：m a x p d 指标，获得了较好的效果啪捌，并 被国内运动生理学界确立为评价有氧耐力的指标之一圆。 6 近红外光谱技术监测赛艇运动员有氧代谢能力的研究2 0 0 8 武汉体育学院硕士学位论文 2 3 近红外光谱肌氧的无损检测 2 3 1 肌氧含量的概述及生理意义 2 3 1 1 肌氧含量参数的概述 一般来说，肌氧参数主要是指氧合血红蛋白( h b 0 2 ) 和还原血红蛋白( h b ) ，两者之 和即为总血红蛋白( t h b ) 浓度，其单位为姗0 1 l ，h b 0 。与t h b 浓度之比即为血氧饱 和度( r s o ：) ，即r s o ：= h b 0 2 ( h b + h b 0 2 ) ，单位为，反映组织的氧合情况。但是 吸入人体的氧气大部分都要进入红细胞与h b 化合，只有约1 5 0 2 直接溶解于血浆。 倘若忽略不计血液物理溶解的极少量o ：，测得h b 的氧含量、h b 的氧容量及h b 的氧 饱和度，即为血液的氧含量、血液的氧容量、血液的氧饱和度鬯? 。由于待测组织较深 厚而且总是被外层组织( 如皮肤、脂肪等) 所覆盖，我们利用近红外光对外层组织的 良好穿透性，透过外层进入待测组织，通过部分漫反射光的信息推算出肌氧参数瞳钔， 而我们所测得的只能是传感器所在部位的肌氧参数，故又常称为局部组织的血氧饱和 度( r s 0 2 ) 。 2 3 1 2 肌肉组织氧的生理意义 氧是生命活动的基础，缺氧会导致许多疾病，甚至威胁人的生命。人体内的血液 通过心脏的收缩和舒张脉动地流过肺部，到达全身各个组织器官。一定量的还原血红 蛋白( h b ) 与肺泡中的氧气结合变成了氧合血红蛋白( h b 0 。) ，只有约2 氧溶解在血 浆中。这些血通过动脉系统一直到达毛细血管。因此，在肌肉组织中，氧主要以两种 形式存在：包括肌肉周围毛细血管的氧( 以氧合血红蛋白形式存在叫b 0 ：) 和肌浆 中的氧( 以氧合肌红蛋白形式存在m b 0 ：) 。运动中氧的主要来源是毛细血管中的 h b 如、m b 0 2 离解以满足组织的需要。由于肌红蛋白只含一分子亚铁血红素，只能结 合一分子氧，远远小于血红蛋白可携带的氧量( 一分子血红蛋白可携带4 分子氧) ， 因而贴0 ：离解氧的数量有限。且肌红蛋白与氧的亲和力远比血红蛋白强，不易发生 分解晗钉，因而可以认为肌肉组织内的氧即为肌肉周围毛细血管中的氧肌氧含量， 即含氧血红蛋白浓度与总血红蛋白浓度的比值( 总血红蛋白为含氧血红蛋白与还原血 红蛋白之和) 。 血液作为一个载体将人体代谢过程中不可缺少的各种营养成分运送到组织中去， 同时运走组织中的代谢产物。可见，氧和血液的供应对人体组织的正常生理活动至关 重要。但在不同的生理状态下，各器官组织的新陈代谢情况不同，对血流量的需要也 就不同。人体内存在着神经和体液两种调节体制，可对心脏和各部分血管的活动进行 调节，从而满足各个器官组织在不同情况下对血液量的需要，协调地进行各器官组 织之间的血流量分配。例如，在运动过程中，随着骨骼肌氧耗量的不断增加，h b 0 2 离解氧的速率加快，肌氧含量下降，其下降的程度可用近红外光谱技术( n i r s ) 测 量，n i r s 是一种无损的可以在训练中对氧含量进行实时监测的技术。 2 3 2 近红外光与组织相互作用机理 生物组织对光的传播一般存在着散射和吸收两种成分。光在组织中的散射产生于 微观程度上折射率不均匀性。组织中光吸收是组织内生载色体( 如血红蛋白、肌红蛋 白、血红素及黑色素等) 和外加入组织载色体( 如治疗使用的光感染料) 吸收的总和。 7 近红外光谱技术监测赛艇运动员有氧代谢能力的研究2 0 0 8 武汉体育学院硕士学位论文 生物组织中吸收光子的色团有：( 1 ) 表皮中的黑色素；( 2 ) 皮下组织以及脂肪中的毛细 血管丛：( 3 ) 肌肉组织中的血红蛋白( 氧合血红蛋白，还原血红蛋白) 及肌红蛋白。其中 表皮中的黑色素，皮下组织及脂肪中的毛细血管丛对光的吸收很小且为恒量，所以称 以上色团为固定吸收色团。除了以上固定吸收色团，在骨骼肌组织中，肌红蛋白和血 红蛋白一样也参与吸收光，但二者光谱重叠，且对总的吸收率分别7 5 和2 5 啪1 ，而 肌红蛋白的浓度在组织中通常为不变量，因此可认为肌红蛋白对光的吸收也为恒定； 量。组织中氧合血红蛋白、还原血红蛋白的浓度会随运动负荷发生变化，总血红蛋白 的量也会因血流量而发生变化。近红外光谱技术利用氧合血红蛋白、还原血红蛋白对 红外光的敏感度不同，解决色团浓度变化的量化研究啪瑚，。 在组织内光传播模型发展中，多数采用辐射传输理论。它忽略光的波动性，认为 光是由分散的光子或粒子组成，而组织对光存在散射和吸收效应，并可用吸收和散射 系数予以描述。这种用传输理论和粒子描述来说明光在组织中传播称为光粒子迁移或 光子迁移( 见图1 ) 。 嬲i怒i i ：j 王移鼹疑饼迓溺 首先光子在组织表面某处进入组织，并以一定的速度在组织中传播，可能出现的 一种情况是光子在某个传播位置上被组织内的载色体所吸收而停止继续传播；另一种 情况是当光子遇到可被看成是一个散射源的粒子时会发生散射，光子在此由于弹性碰 撞改变行进方向并沿随机方向继续传播，而后此光子或被吸收或被再散射，这样光子 在组织传播过程中就会形成多次散射现象，导致光子从光源迁移到检测器的总路径长 度l 要大于光源和检测器之间的几何距离r ，由于每次散射中光子方向的改变是随机 的，故光子迁移的路径长度存在一分布。同样，组织的吸收特性也会影响光的总传播 路径长度定性地说，组织吸收增加时，光子遇到连续散射层的概率减小了，光子迁移较 长路径的概率也就减小了即路径长度分布缩短了。相反，组织吸收减小时，随着光子传 播路径长度的增加，光路径分布又变长了。实验证明口：光在组织中传播速度为 c = c o n ，c o 为真空中光速，其值为3 1 0 8 m s 。通常，对于软组织，n 在1 卜1 5 范 围内，故c 约为0 2 0 2 3 g m s 。组织总吸收系数野：l o 一2 - l o c m - 1 ，散射系数心= 1 0 2 1 0 3 c m 1 。 2 3 3 肌氧含量无损检测的基本原理。“。 近红外光谱技术( n 工r s ) 肌氧无损检测即是以氧合血红蛋白、还原血红蛋白、细 胞色素氧化酶等的吸收光谱为基础，结合光在组织中的传播规律，利用近红外光对组 织的良好穿透能力，研究光在组织中历经一系列吸收，散射后反射光携带的与吸收谱 相关的组织生化信息。其主要目的在于研究组织中这些吸收色团浓度的定量测量方 法。本系统根据h b o ：和h b 对近红外光( 7 0 q n m - 1 0 0 0 硼波长范围) 消光系数的差别， 用三波长分光光度法可测定局部组织氧饱和度r s o ：啪1 ，同时，还可以检测到氧合血 红蛋白的变化量( h b o ： ) 、还原血红蛋白变化量( h b ) ，从而可以看出血红蛋白 的变化趋势，而测定组织血红蛋白饱和度和组织氧化作用也是基于上述的血红蛋白对 8 近红外光谱技术监测赛艇运动员有氧代谢能力的研究2 0 0 8 武汉体育学院硕士学位论文 n i r 的吸收特性。这是对血氧当前状态的描述，反映了组织中氧供和氧耗动态过程的 平衡点。如图2 给出了h b 0 。和h b 的消光系数e 与波长k 之间的对应关系曲线。从图 中看出h b o ：和h b 的吸收光谱显著不同，在8 0 0 n m 之前h b 吸收小于h b o ：的吸收。相反， 在8 0 0 n m 之后h b o ：的吸收小于h b 的吸收，而在8 0 0 n m 左右，h b 和h b o 。有相同的消光系 数。但是外部原因( 环境缺氧等