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常压低氧环境的自动监测与控制系统 摘要 高原环境的训练，可以提高运动员体育成绩，同时也会给机体健康带来一定的危害。 为了取其利而弃其弊，相关专家们开始研究平原常压低氧的人工训练环境。 随着各种低氧技术的产生，人们成功地实现了对常压低氧环境的模拟。本文对低氧 环境的现有监测系统的不足做了分析后，自己设计了+ 套实用的监测与控制系统，在对 环境涉及到的各参数，主要是氧气浓度和二氧化碳浓度，实时监测的同时，还可以对此 环境实现自动控制。并且这套系统运行稳定，实用性强，经济性能优越。 在北京体育大学低氧实验室，应用这套系统对现场环境进行自动监控实验，对所采 集数据进行了分析建模，最终得到了时间和氧气浓度之间的实际函数关系式。这一研究 成果对以后的低氧研究具有一定的指导意义。 在低氧实验过程中，除了实现对环境的自动监控外，还对数名低氧受试者进行了红 细胞数量、血红蛋白数量、体重、心率等各项生理指标的检测，以及y o y o 体育专项测 试，结果证实了低氧训练确实有强身健体以及提高运动员体育成绩等一系列优势。 关键词：常压低氧，监测系统，自动控制，气体输送，体育训练，模拟实验 堂堡! ! 墨堑墨墼皂塑鉴型：篓型墨垫 一一 s y s t e mo fa u t o m 【a t i cm o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gt h ee n v i r o n m e n to f n o r m a la t m o s p h e r ea n dh y p o x i a a b s t r a c t t h ep l a t e a ue n v i r o n m e n tb r i n g sd a n g e rh e a l t h i l yt ot h eo r g a n i s mw h i l er a i s i n ga t h l e t e s s p o r t sa c h i e v e m e n t i no r d e rt od r a wi t sp r o f i ta n da b a n d o ni t sa b u s e ，r e l e v a n te x p e r t sb e g i n t os t u d yt h ea r t i f i c i a le n v i r o n m e n to f n o r m a la t m o s p h e r ea n dh y p o x i a ， w i t ht h ei n v e n t i o n so f v a r i o u sk i n d so f h y p o x i at e c h n i q u e ，p e o p l ea c h i e v et h e s i m u l a t i o no fe n v i r o n m e n ta b o u tn o r m a la t m o s p h e r ea n dh y p o x i as u c c e s s f u l l y a f t e rm a k e t h ea n a l y s i sa b o u td i s a d v a n t a g eo f m o n i t o r i n gs y s t e mi ne x i s t e n c e ，a u t h o rh a sd e s i g n e das e t o f p r a c t i c a ls y s t e mf o rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g t h es y s t e m c a nr e a l i z et h ec o n t r o l a u t o m a t i c a l l y ，w h i l ee v e r yp a r a m e t e ri n v o l v e do f t h ee n v i r o n m e n t ，t h ed e n s i t yo f o x y g e na n d d e n s i t yo f c a r b o nd i o x i d em a i n l y ，i sm o n i t o r e di nr e a lt i m e f u r t h e rm o r e ，t h i ss y s t e mr u n s s t e a d i l y , a n di t sp r a c t i c a b i l i t yi ss t r o n g ，a n di t se c o n o m i cp e r f o r m a n c ei ss u p e r i o r i nt h eh y p o x i al a b o r a t o r yo fb e i j i n gs p o r t su n i v e r s i t y , w i t ht h i sa u t o m a t i cm o n i t o r i n g s y s t e mt od ot h ee x p e r i m e n ta tt h es c e n e ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ed a t ag a t h e r e d ，f i n i s h e dt h e m o d e l i n g ，a n da c h i e v e dt h ea c t u a lf u n c t i o nb e t w e e nt h et i m ea n dd e n s i t yo fo x y g e n i th a s c e r t a i ni n s t r u c t i o n a ls i g n i f i c a n c ea b o u th y p o x i as t u d y i nt h eh y p o x i ae x p e r i m e n t ，b e s i d e sm o n i t o r i n gt h ee n v i r o n m e n ta u t o m a t i c a l l y , w eh a v e m e a s u r e da l lk i n d so fp h y s i o l o g i c a li n d e x e ss u c ha sr b c ( r e db l o o dc o r p u s c l e s ) ，h b ( h e m o g l o b i n ) ，w e i g h t ，r h y t h mo ft h eh e a r te t c ，a n dd i dt h ey o y os p o r t st e s t t h er e s u l t v e r i f i e dt h a tt h eh y p o x i at r a i n i n gi sb e n e f i c i a lt oi m p r o v et h eh e a l t ha n dr a i s ea t h l e t e l ss p o r t s a c h i e v e m e n te t c k e y w o r d s ：h y p o x i a ，m o n i t o rs y s t e m ，a u t o c o n t r o l ，g a sf l o w , s p o r t st r a i n i n g ，s i m u l a t et e s t 河北工业大学倾十学位论文 第一章绪论 i 一1 前言 常压低氧环境是指大气压为平原或海平面处的压力值( 0 1 m p a ) ，而氧气浓度值是高原处的低 于正常值( 正常值为2 0 9 4 ) 的种由人工控制的室内环境。 模拟常压低氧环境并应用于体育锻炼是当今世界体育界的新趋势。低氧环境所带来的提高体育 成绩等好处正越来越得到人们的认识。现在，全世界的运动科学专家都在关注着它的发展。 根据人体在常压低氧环境下的生理变化过程( 包括人体的化学能等) 的研究，虽然缺氧会对有 机体造成损害，如头疼和呼吸困难等所谓的急性高山病( 埘s ) ，但是在一定程度的常压低氧环境下 停留一定的时期后，人体会产生自适应，即高原服习( a l t i t u d ea c c l i m a t i z a t i o n ) “，长期服习 达到适应后却可对机体多个方面都产生有利的影响。 更值得指出的是这种特殊的环境在科学的控制f ，运动员在其内休息或进行适当的体育锻炼， 能使运动员的体育成绩得到大幅度提高。这种特殊的人上环境往我国刚刚起步，对丁这种环境的模 拟还在摸索阶段，而用计算机来对其实行自动监控还未见到。 随着计算机技术的发展，计算机数据采集技术与控制系统在过程自动化中获得了广泛的应用， 它综合了计算机、数据采集，过程控制、网络通讯和图形显示等技术，以信息的获取、处理、监控 和优化为目的，具有功能强、操作方便等特点，把自动监测与控制应用于环境的计算机模拟、自动 控制模式。这对低氧环境的兴起和模拟技术的推广，大大加快了其发展步伐。 故鉴于以上所述，本文就常压低氧环境的计算机监测与控制进行了研究，并在北京体育大学的 低氧训练研究中心进行了现场实验。 1 2 常压低氧环境的应用及研究意义 一、低氧环境的日常应用 据美国专利u s5 8 8 7 4 3 9 ，近几年，低氧成分沽净屋的需求量大幅度增加。例如，半导体厂家、 电子和光学元件厂、制药或药物包装公司、食物加。j 。、储存厂家等，都迫切要求洁净低氧环境来增 1 常艋低氧环境的自动畸测与挣制系统 强他们的产，钻质量和服务质量。利用低氧洁净环境，由于氧浓度降低，在常温f 就可以抑制产r 铺变 质，既减少了空调制冷费用，也保证了产品质量”l 。 据美国专利u s6 4 1 8 7 5 2 低氧环境可用来预防和抑制火灾发生，也可以灭火。比如，大型建筑 物内，交通隧道，交通工具，军用设备，普通居室等，在大气压或稍高于- 人气压的条什f ，都可川 低氧气体预防和抑制火灾发生。用来灭火的低氧混合气体的氧气成分人约在1 0 一1 6 。 、低氧环境在强身健体方面的发展 高原环境会给人带来不舒服或是给身体带来扦牛在的危害。原因是处于高原环境的人的血液中的 氧浓度下降的结果。在1 8 0 0 0 英尺( 1 英尺= o 3 0 4 8 米，约5 5 0 0 米) 海拔高度上，每立方英尺的氧 气分子数人约是海平面的一半。非常快速的进入高原的人会引起高原病其症状表现为：恶心、头 疼、失眠、呼吸困难、气喘、无食欲、精神紊乱或类似“中毒”的感觉。但是，如果逐渐的进入渐 高海拔的环境，人就会适应高原环境，避免高原病的发生。实践证明，适当减小氧气浓度获得的高 原环境对人而言是安全的“1 。 数百万个飞行员曾到过海拔6 0 0 0 - 一8 0 0 0 英尺( 约1 8 3 0 米一2 4 4 0 米) 的高度。数以万计的旅 行者到达过科罗拉多州c o l o r a d o ( 位于美国西部) ，并停留在海拔8 0 0 0 英尺( 约2 5 0 0 米) ( 位于科 罗拉多州的威奥v a i l 或阿兹本a s p e n ) 到1 1 0 0 0 英尺( 约3 3 5 0 米) ( 位丁科罗拉多州的利德威尔 l e a d v i l l e ) 的高度，而且这些旅行者还喜欢短期停留在1 2 0 0 0 英尺( 约3 6 5 0 米) ( l o v e l a n dp a s s 之巅) 到1 4 0 0 0 英尺( 约4 2 5 0 米) ( p i k e sp e a k 顶峰) 之间”f 。 据美国专利5 8 5 0 8 3 3 ，低氧环境对人类健康的影响被发现已有1 0 0 0 多年了。最初是由中世纪南 美一个部落的医生和修道士发现的，他们用这种方法治疗他们的病人或使人们的身体更健康、更强 壮“1 。低氧环境下训练和治疗的研究主要是在最近的2 0 多年里，而且主要在前苏联。医学专家发明 的“缺氧疗法”，是让患者反复吸入只有1 0 氧含量的低氧空气，启动人体应对缺氧自卫系统的潜能， 达到有病治病，无病强身的目的。他们的研究表明：定期的吸入用特殊方法配置的低氧空气能增强 人心理和生理的性能，对治疗心血管、呼吸及神经系统的疾病有显著疗效，还可缓解疼疝，消除疲 劳等。 现在，高原低氧环境越米越受到世界各级有关专家们的关注。他们研究表明：人在迂府高原环 境的过程中，刺激人体产生一系列抗缺氧反应，身体中吸收、传输、利用氧的效率提高。主要表现 在肺活量增大、肺部毛细血管吸收和利用氧的能力增强、血红细胞数增加、心脏排f f 量增人、氧化 酶活性上升，生物线粒体量增多等等。 不同的适应变化过程需要的时间不同。呼吸和生物化学方面的变化一般在6 8 天内完成，血 红细胞数量增至最大值的9 0 要用3 周的时间。一一般来讲，适应性的8 0 的完成用l o 天而9 5 的完 2 河北t 业大学硕士学位论文 成竟然要用6 周的时间，即适应期时间越长，增量越小。持续承受于高原环境确实能维持生理适应 性，但是在这要指出的一点是，回到海平面后适应性能会在1 0 一1 5 天后开始衰减，血红细胞数也只 能保持6 向“1 。 人体对低氧环境( 如高山地区) 产生一系列生理适应过程，在同样的氧耗下，可产生更多的化 学能，从而增进人体健康，尤其对心肺和造血功能产生十分有利的影响。由丁高原低氧环境对人类 的生理上能带来好处所以这种环境可以被j 泛应用于医疗方面。 三、低氧环境在体育训练方面的发展 高原训练作为提高运动员运动成绩的一种有效训练方法，已得到体育界广泛的关注，并有了令人 瞩目的发展。 研究发现，由于缺氧负荷强度的逐级递增，收致最大限度的动员机体抗缺氧适应能力，从而使机 能潜力得到最大限度的动员。运动员在高原低氧环境下训练，能使运动员的促红细胞形成素、红细 胞总数、砌红蛋白明显增加，最大心率降低，乳酸一速度曲线右移，低氧通气反虑增加从而提高运 动技能1 。 据1 9 9 7 年7 月j o u r n a lo fa p p l i e dp h y s i o l o g y 刊物记载：u n i v e r s i t yo fs o u t h w e s t e r nm e d i c a l c e n t e r 的d r b e nj a m i nl e v i n e 和d r j a m e ss t r e y - g u n d e r s e n 有力论证了“高住低训”( 1 i v i n g h i g ha n dt r a i n i n gl o w ) 能最好的提高运动员的成绩。 低氧环境可以促进体内天然e p o 的增长，是提高运动成绩的合法兴奋剂”l 。在1 9 9 2 年巴塞罗那 奥运会游泳比赛奖牌( 9 3 块) 获得中，一半以上的人都在美国弗拉格斯塔夫( f l a g s t u f f ，2 1 3 4 米) 训练过。1 9 9 6 年亚特兰大奥运会，金牌总数排在前8 名的国家( 美、俄、德、中、法、意、澳、古 巴) ，在奥运会前均派遣运动员进行过高原训练”1 。随着2 0 0 8 年的临近，低氧d l i 练将会对我国运动 员在奥运舞台上充分发挥自己的潜能，取得优异成绩，发挥它的作用。 国内，运动员在低氧环境下训练能火幅提高运动成绩这一观点，也己为人们广泛了解和接受。 研究项目名为“高原运动员问歇性低氧训练的生物学机制研究”的课题是由留美i 尊士后、国际高原 医学会理事、现任青海医学院高原医学研究中心主任的格日力教授和青海省体育科研所共同承担的， 目前已获得阶段性成果。这项研究成果在2 0 0 3 年2 月在加拿大召开的第1 3 届国际低氧学术讨论会 上进行了交流，得到了各国专家的好评。1 。 格日力介绍说：“运动员每天4 - 6 小时暴露于低氧混合气体环境或低压舱，造成体内适度缺氧， 以达到高原训练的目的。其优点是在平原条件f ，人为的造成高原缺氧环境。”青海省体上队的田 径运动员采用间歇性低氧训练法，提高了运动成绩，队员汪成荣2 0 0 2 年参加北京国际马拉松赛，获 得半程赛男子个人第五名。在比赛中他仅用了6 8 分多跑完了2 19 5 7 公里，这在他以往的训练中是 常压低氧环境的自动监测与控制系统 从未有过的。他的教练介绍，田径队其他9 名采用这一训练方法的队员成绩也都在提高“”。 以下介绍使用常压低氧环境取得优异成绩的例证：美国竞走队纪录保持者( u sr a c ew a l k i n g r e c o r dh o l d e r ) t i ms e a m a n 说：低氧训练有助于训练后体力更蚶更有效的恢复，合理地使身体的 运氧能力提高，这对于世界级比赛是非常重要的。另外，北京体育大学助理研究员、北京市铁人三 项运动协会秘书长、中国铁人三项运动协会俱乐部委员会主任，成功横渡过琼州海峡、渤海海峡、 英吉利海峡及长白山天池、云南抚自n 葙自、中国最大的内陆咸水湖青海湖的中国“铁人”张健说， 青海湖海拔3 1 9 4 米，氧气相对稀薄，气压低及当地强烈的紫外线照射都会为横渡带来很大阻碍，为 适应青海湖高原低氧的特殊情况，他住迸低压氧舱，氧舱中的环境相当于海拔3 0 0 0 米左右的地理位 置，进入低压氧舱进行为期半个月左右的“适应训练”。对于他适应高原海拔有很人帮助。 目前这一方法在俄罗斯、英国、美国、德国和澳大利亚等国家已被广泛应用，运用高原训练手 段提高运动员比赛成绩是近年来体育医学的科研热点，很多国家花费巨资试图在这一领域取得突破。 l 一3 常压低氧环境的背景及现状 1 9 6 8 年第1 9 届奥运会在海拔2 2 4 0 米的墨西哥城举行时曾经创下了许多世界纪录1 。其中， 1 0 0 米短跑仅用了9 。9 秒，保持了1 5 年之久；2 0 0 米短跑仅用了1 9 8 3 秒，保持了1 1 年之久：4 0 0 米赛跑仅用了4 3 8 6 秒，l o 年以后才被打破：跳远8 ，9 0 米，保持了2 1 年之久等等。这次奥运会为 什么会有这样的优异成绩昵? 人们公认为这是1 9 届奥运会前，参赛运动员为适应比赛环境，曾纷至 墨西哥城进行适应性训练的结果。从此高原训练问题引起了世界体育界的极大关注，世界各地也相 继建立了数十个高原训练基地。大量研究发现，在高原缺氧环境下进行运动训练，的确有某些生理 学上的优势，但也有相应的弊端。如何有效利用其优势而摒弃其弊端，一赢是体育科学的重点研究内 容，并由此引发了训练思路上的不断改革，训练方法上的不断改进，由高原训练、高住低练以至发 展到人工低氧环境训练。 l 一3 一l 高原训练 高原训练实质上就是利用机体处于高原环境中对缺氧所产生的应答性和适应性变化，改善机体 运输和利用氧气的能力“。运动员在低氧环境下进行体育训练，等于给机体施加了一个新的训练刺 激。从而显著增强有氧耐力训练的效果，快速提高有氧能力，所以高原训练成为体育训练重要的方 法之一1 。 但高原训练也有利有弊。在高原训练过程中氧分压和大气压两者都很低，长期缺氧，会造成 肌肉萎缩、最大吸氧量下降、以及过度疲劳等现象1 ，这样运动员能够承受的运动强度较之平原训 4 常压低氧环境的自动监剽与控制系统 从未有过的。他的教练介绍，田释队其他9 名采用这洲练方法的队员成绩也都在提高。 以f 介绍使用常压低氧环境取得优异成绩的例证：美国竞走队纪录保持者( u sr a c ew a h n g r e c o r dh o l d e r ) t l ms e e a l i a n 说：低氧训练有助于训幼i 后体力更盯更有效的恢复，台理地使身体的 运氧能力提高，这对丁世界级比赛是非常重要的。另外，北京体育大学助理研究员、j e 京市铁人三 项运动协会秘书长、中国铁人三项运动协会俱乐部委员会土任，成功横渡过琼州海峡、渤海海峡、 英吉利海峡及长白山天池、云南抚仙湖、中国最大的内陆咸水潮青海湖的中国“铁人”张健说， 青海湖海拔3 1 9 4 米，氧气相对稀薄，气压低及当地强烈的紫外线照射都会为横渡带来很大阻碍，为 适应青海湖高原低氧的特殊情况，他住进低压氧舱，氧舱中的环境相当下海拔3 0 0 0 米左右的地理位 置，进入低压氧舱进行为期半个月左右的“适应训练”，对丁 他适应高原海拔有很大帮助。 目前这一方法在俄罗斯、英国、美国、德国和澳大利甄等国家已被广泛应用运用高原训约、手 段提高运动员比赛成绩是近年来体育医学的科研热点，根多国家花费巨资试图在这一领域取得突破。 1 3 常压低氧环境的背景及现状 1 9 6 8 年第1 9 届奥运会在海拔2 2 4 0 米的墨两哥城举行时，曾经创下了许多世界纪录1 。其中， 1 0 0 米短跑仅用了9 9 秒，保持了1 5 年之久；2 0 0 米短跑仅用了1 9 8 3 秒保持了1 1 年之久：4 0 0 米赛跑仅用了4 38 6 秒，i o 年以后才被打破：跳远89 0 米，保持了2 1 年之久等等。这次奥运会为 干上么会有这样的优异成绩呢? 人们公认为这是1 9 届奥运会前，参赛运动员为适应比赛环境，曾纷至 墨西哥城进行适应性训练的结果。从此高原训练问题引起了世界体育界的极大关注，世界各地也相 继建立了数十个高原训练基地。大量研究发现，在高原缺氧环境下进行运动训练，的确有某些生理 学上的优势但也有相席的弊端。如何有效利川其优势而撕弃其弊端，一直是体育科学的重点研究内 容，并由此引发了训练思路上的不断改革，训练方法上的不断改进。由高原训缘、高住低缌以至发 展到人工低氧环境训练。 1 3 1 高原训练 高原训练实质上就是利用机体处于高原环境中对缺氧所产生的应答性和适应性变化，馥善机体 运输和利用氧气的能力”“。运动员在低氧环境下进行体育训练，等于给机体施加了一个新的训练刺 激，从而显著增强有氧耐山训练的教果，快速提高有氧能力，所以高原训练成为体育训练重要的方 法之一m 1 。 但高原训练也有利有弊。在高原训练过程中，氧分压和大气压两者都根低。k 期缺氧。会造成 肌肉萎缩、最大吸氧量下降、以及过度疲劳等现豫这样运动员能够承受的运动强度较之平原训 肌肉萎缩、晟大吸氧量卜降、以及过度疲劳等现象1 这样运动员能够承受的运动强度较之平原训 4 常压低氧环境的自动监测与控制系统 从未有过的。他的教练介绍，田径队其他9 名采用这一训练方法的队员成绩也都在提高“”。 以下介绍使用常压低氧环境取得优异成绩的例证：美国竞走队纪录保持者( u sr a c ew a l k i n g r e c o r dh o l d e r ) t i ms e a m a n 说：低氧训练有助于训练后体力更蚶更有效的恢复，合理地使身体的 运氧能力提高，这对于世界级比赛是非常重要的。另外，北京体育大学助理研究员、北京市铁人三 项运动协会秘书长、中国铁人三项运动协会俱乐部委员会主任，成功横渡过琼州海峡、渤海海峡、 英吉利海峡及长白山天池、云南抚自n 葙自、中国最大的内陆咸水湖青海湖的中国“铁人”张健说， 青海湖海拔3 1 9 4 米，氧气相对稀薄，气压低及当地强烈的紫外线照射都会为横渡带来很大阻碍，为 适应青海湖高原低氧的特殊情况，他住迸低压氧舱，氧舱中的环境相当于海拔3 0 0 0 米左右的地理位 置，进入低压氧舱进行为期半个月左右的“适应训练”。对于他适应高原海拔有很人帮助。 目前这一方法在俄罗斯、英国、美国、德国和澳大利亚等国家已被广泛应用，运用高原训练手 段提高运动员比赛成绩是近年来体育医学的科研热点，很多国家花费巨资试图在这一领域取得突破。 l 一3 常压低氧环境的背景及现状 1 9 6 8 年第1 9 届奥运会在海拔2 2 4 0 米的墨西哥城举行时曾经创下了许多世界纪录1 。其中， 1 0 0 米短跑仅用了9 。9 秒，保持了1 5 年之久；2 0 0 米短跑仅用了1 9 8 3 秒，保持了1 1 年之久：4 0 0 米赛跑仅用了4 3 8 6 秒，l o 年以后才被打破：跳远8 ，9 0 米，保持了2 1 年之久等等。这次奥运会为 什么会有这样的优异成绩昵? 人们公认为这是1 9 届奥运会前，参赛运动员为适应比赛环境，曾纷至 墨西哥城进行适应性训练的结果。从此高原训练问题引起了世界体育界的极大关注，世界各地也相 继建立了数十个高原训练基地。大量研究发现，在高原缺氧环境下进行运动训练，的确有某些生理 学上的优势，但也有相应的弊端。如何有效利用其优势而摒弃其弊端，一赢是体育科学的重点研究内 容，并由此引发了训练思路上的不断改革，训练方法上的不断改进，由高原训练、高住低练以至发 展到人工低氧环境训练。 l 一3 一l 高原训练 高原训练实质上就是利用机体处于高原环境中对缺氧所产生的应答性和适应性变化，改善机体 运输和利用氧气的能力“。运动员在低氧环境下进行体育训练，等于给机体施加了一个新的训练刺 激。从而显著增强有氧耐力训练的效果，快速提高有氧能力，所以高原训练成为体育训练重要的方 法之一1 。 但高原训练也有利有弊。在高原训练过程中氧分压和大气压两者都很低，长期缺氧，会造成 肌肉萎缩、最大吸氧量下降、以及过度疲劳等现象1 ，这样运动员能够承受的运动强度较之平原训 4 河北丁业大学硕士学位论文 练就会明显下降，结果会因为训练负荷强度不足导致运动员的体能减退，从而必须在回到平原以后 加大强度恢复体能”“。而同到平原后随体能逐渐恢复运动员对高原产生的适应性变化( 有氧能力 提高) 义会逐渐消退。所以高原训练欲获取理想的训练效果，需要考虑诸多因素，诸如上高原的时机， 高原训练的持续时间、负荷的量和强度，下山的时间，f 山后调整期距离比赛的时间长度以及训练 内容等一系列问题“。 第一，寻求高原训练环境比较困难。因为运动员生活和训嘲；是在两个不同的基地，海拔相差很 大，但彼此相距又不能很远。基地上需要具备相应的训练场地以及生活设施，而且高海拔基地与低 海拔基地之间的交通还应比较方便。 第二，花费高昂。一般而言，进行这种“高住低练”的运动队的所在地距离高原训练基地都比 较远，甚至相隔数千公里。这样进行这种长途跋涉式的“高住低练”训练需要投入火晕的人力( 运 动员、教练员、医生、后勤保障人员等) 与物力( 比赛器械、训练器材等) 。同时，除运动队的正常 训练、生活开支外，还要支付昂贵的交通费( 包括人员、物资长途搬迁，以及运动员每日往返海拔不 同的两个基地) 、训练场地和住处的租用费。这些费_ i = j 加起来相当大。正是出于高原训练所同有的优 势与不足，使高原训练成为一把“双刃剑”。安排得好，可以提高比赛成绩，安排稍有失误，成绩反 而会下降。为此，人们一直在寻求一种尽量两全其美的方法。 l 一3 2 低压低氧 为了解决高原训练的缺点，5 0 年代束，前苏联已运用低压氧舱对运动员进行训练“7 1 ，这种方 法是让运动员进入一个专门的低压低氧舱中，模拟高原地区的低压低氧的空气稀薄的环境，并配置 耐力训练的运动器械，在舱中进行训练，从而达到高原训练增强运动耐力的目的”。冈低压氧舱在 运动中的活动范围及方式受到极大限制，故主要用于实验研究，其实用性较差”1 。 6 0 年代出现的背携式低氧输气器曾在英、美及前苏联一度用于运动训练且获得一定类似高原训 练的效果。美国i n s p i ra i rc o r p o r a t i o n 公司( w e s t l a k ev i l l a g e ，c a l i f ) 进行了8 年研究， 于1 9 8 1 年生产了“低氧分压有氧训练器”( p 0 2 a e r o b i ce x e r c i s e ) 该产品重量小于2 千克，造价 低，是便携式的低氧发生器，用于马拉松赛跑运动员训练，效果显著，被称为长跑训练的“秘密武 器”。使用这种器械，使用者选择合适的呼吸面罩，装置的其余部分可放入尼龙布背包中固定于 背后，亦可置于手中或身边。可用于飞行员、航行员、登山队员、高原工作者在低海拔地区进行缺 氧训练、缺氧耐力的选拔与鉴定。但因运动员训练过程要将低氧输气器背负在上背部，且需要戴呼 吸面罩，因而存在诸多不便。我国体育科学工作者曾致力于对该方法的改进研究，也冈为该方法自 身条件的限制而未能有所突破。 上述方法均为仿高原环境训练，虽然解决了高原训练的缺点，但是缺氧负荷平| | 运动训练负荷同 5 常压低氰环境的自动般测与挎制系统 时并存所以容易造成运动员的肌肉、关节和局部神经的损伤，使技术的发挥受到影响。而且获 得的低氧效果也是通过气压f 降的同时氧分压也降低的原理来实现的，这同高原训练相比，实质并 无重大突破。 1 3 3 高住低训 “高住低训”( 1 i v i n gh i g h ，t r a i n i n gl o w ) 是美国学者l e v i n e 肋s t r a y g u n d e r s e nj 于1 9 9 1 年在m e d s c i s p o r t se x e r c 刊物中首先提出米的“”，其核心问题所在是通过低氧环境改善运动员 的氧气运输和利用能力。“高住低训”就是让运动员居住在高原或人t 低氧环境，训练在海平面或平 原环境。让运动员在不同时间内分别接受运动训练负荷和缺氧负荷，即在常规运动训练结束后，运 动员在安静( 睡眠) 状态下接受模拟高原环境的缺氧负荷。这使得在高原训练中原本处于相互制约 的两个因素( 缺氧负荷和运动训练负荷同时并存) 协同起来，用以最大限度的调动机体的能力，促 进有氧耐力的提高，避免传统高原运动负荷降低的尴尬”】。 “高住低训”大致分为两个阶段，间歇式低压低氧训练年l l 常压低氧训练。 1 、间歇式低压低氧训练 8 0 年代末莫斯科谢切诺夫医科大学博士、俄罗斯功勋科学家教授在前人工作的基础上创始了 “正常大气压f 的低氧刺激法”或称“间歇性低氧训练法”。! 。该方法是借助特定仪器低氧仪 通过降低空气中氧的容积含量，提供额定低氧分压混合气体使受试者吸入低氧气体的训练方法。 由于实施中将缺氧负荷的总量划分为数个独立的组别，每组包括若干次，在每两次低氧刺激的间歇 时间内恢复正常大气压下的自由呼吸，使低氧负荷训练表现出脉冲式或间歇性的特点，因而被称为 间歇性低氧训练”“。缺氧引起的机能代谢变化既有损伤的一面也有抗损伤的一面，关键在丁_ 缺氧 发生的速度、程度、持续时间等因素”。一般而言，机体对缺氧的反应，首先是各系统出现一系列 适应代偿性变化，以增加氧的供给或提高组织利用氧的能力。当一定程度的短暂缺氧作用还不至于 对机体形成损伤时，因缺氧导致的代偿作用已经形成。而在每两次低氧刺激的有限间歇时间内，已 经形成的代偿作用尚继续保持甚至不断加强，使呼吸循环等系统一直保持较高活动状态直到f 一次 低氧刺激的开始并最终导致运动员抗缺氧适应能力的形成”。该方法受到了体育界的极人关注并己 在运动训练中推广应用。 9 0 年代以后，在此基础上更新的模拟高原训练方法既低氧室又产生了。为此做出突出贡献的是 俄罗斯赫尔麦斯科研所和美国科罗拉多大学博士i g o r g a m o w 。1 9 9 4 年，莫斯科第一届国际缺氧问题 论文报告会上，俄罗斯切利亚宾斯克科技信息中心介纠了赫尔麦斯科研所设计完成的单人坐( 卧) 式低氧小室。运动员在结束常规训练后，进入低氧小室接受模拟高原环境的低氧负荷训练。州真空 泵将小室内的气压逐步降低，最低水平为4 5 0 m m h g ( 相当于海拔4 0 0 0 m 以上的高原缺氧环境) 。实现 了平原训练，“高原”生活的模拟高原训练新方法。 6 河北t 业大学硕：学位论文 8 0 年代前东德建成大型模拟高原训练场馆之后芬兰于1 9 9 2 年又建造了一个a l t i t u d eh o u s e ( 高原屋) 。瑞典于1 9 9 4 年建成了自己的模拟高原训练场馆。挪威斥臣资丁1 9 9 5 年建造了一个带有 训练设施的h y p o b a r i ca l t i t u d eh o u s e 。美国最近又研制出了一种可调氧分h 式睡仓，它可提供1 名运动员在仓内休息，以期望达到“高住低练”的效果”“。 与此类似的是由美国科罗拉多大学博士i g o r g a m o w 设计的“v o z m a x ”型单人躺卧式低氧小室。 小室内的气压显示器可帮受试者选择所需的低氧分压值”o 。著名长跑运动员a l b e r t o s a l a z a v 、自行 车运动员p a u l s o l o n 、s t e v e h e g g 及著名西班牙登山运动员m a g d a k i n g 等均州此方法接受了模拟高原 的训练并获得了良好效果。研究结果表明，运动员在低氧小室内接受4 小时低氧负荷训练后，开始 出现血促红细胞生成素( e p o ) 的升高，从而使红细胞数增多，血红蛋白含量升高，血液携氧、运氧能 力提高”“。间歇性低氧训练及模拟高原低氧小室训练的一个共同特点是缺氧负荷的程度可逐步加 大。 综上所述，模拟低压低氧环境的技术是比较成熟的它克服了运动员到真正高原环境进行训练 所不能避免的长途跋涉、耗费时间、经费、训练环境差、难以控制等多种弊端，高原低氧房设备可 随运动员的训练比赛地点的变化而建立，相对真正去高原训练有独特的优越性轴是值得提出的是， 以上几种方法还是利用气压下降的同时氧分压也_ f 降的原理来达到低氧效果的，所以此方法既不安 全又昂贵。 2 、常压低氧训练 为了解决上述的低压问题，专家们开始研究更新型的方法既常压低氧环境的模拟。 挪威，n i l so t t e s t a d 在前人所做的基础上作了改进，使用了氧气发生器、电磁阀、风扇、 二氧化碳过滤器、氧气传感器和二氧化碳传感器。氧气发生器连续工作。氧气传感器和二氧化碳传 感器用来测量室内氧气、二氧化碳浓度，并把数据传到控制面板。这里的控制面板只能控制报警装 一、r 置，电磁阀和风扇，不能控制氧气发生器和二氧化碳过滤器，需要使用者手动控制。而且，当二氧 化碳浓度超标时，风扇不能自动打开。本系统只能模拟高海拔，不能模拟低海拔。 美国，k o t l i a r “1 先后四次对这种系统做了发明和改进，并且都中请了专利，分别是1 9 9 5 年5 月2 2 日申请的美国专利u s5 8 5 0 8 3 3 ；1 9 9 5 年7 月2 1 日申请的u s5 7 9 9 6 5 2 ：1 9 9 7 年2 月8 日申请 的u s5 9 2 4 4 1 9 ；1 9 9 7 年1 2 月3 日申请的u s5 9 6 4 2 2 2 。其技术方案是用氧气发生器把一定鼙的氮气 冲入封闭环境来达到低氧效果。这种系统控制海拔高度和二二氧化碳浓度的能力都有限。而且也只能 模拟高海拔，不能模拟低海拔。 美国，k u t t “1 等人发明了“c o l o r a d om o u n t a i nr o o m ”，简记为c m r ，由美国科罗拉多高原训练 中心研制，命名为“科罗拉多高原训练低氧房”，这是目前世界上最先进的低氧环境模拟系统。不仅 7 常压低氧环境的自动俯测与控制系统 能模拟高海拔，也能模拟低海拔。 高原低氧房技术提供了在低海拔的房间内创建高原低氧环境，主要是利用高科技产品一氧气分 子膜分离器( m o l e c u l a rs i e v e ) 降低空气中的氧气成分，气压不变，其安全性高，价格低克服了低 压低氧的弊端。其实现低氧的途径和前人的完全不同，所达到的效果是氧气浓度降低而气压不变， 实现了常压低氧的良好效果。 l 一3 4 常压低氧方面的尖端科技产品 世界酋家提供常压低氧环境产品的公司是美国h y p o x i ci n e “。他”j 把自己的产品称为“运 动员的秘密武器”，主要的新型产品有低氧帐篷系统( t h eh y p o x i ct e n ts y s t e m ) 。目前，往常压低 氧环境的模拟技术上这是属于世界领先的科技产品。 低氧帐篷分为以下三种单人休息屋、双人休息屋和低氧训练帐篷。低氧发生器( h y p o x i c g e n e r a t o r ) 都是一样的，体积为5 5 c m x 5 8 c m x 2 7 c m ，重量为2 5 k g 。帐篷折叠后可以随身携带，重 新再建只需儿分钟的时间。这种帐篷的材料是一种特殊的高级尼龙，它的透气性能要求很高。透气 性太高，所要求的低氧环境达不到；太低，屋内环境不舒适。边与边之闻用长长的拉链连接。 下面是这三种帐篷的图片： 单人低氧帐篷，如图1 1 ： 救人低氧帐篷，如幽i2 ： 8 图1 1 单人低氧帐篷 f i g1 1s i n g l eh y p o x i ct e n t 训练帐篷，如图1 3 图12 双人低氧帐篷 f i g1 2d o u b l eh y p o x i ct e n t 图1 3 1 训练帐篷 f i g1 3 1t r a i n i n g t e n t 图1 3 2 训练帐篷 f i g1 3 2t r a i n i n gt e n t 这类低氧机器中有的机器类型还可以实现自动调节和报警功能。它们自带控制系统箱、气体传 感器和二氧化碳吸收器。开始要求设定好要达到的海拔值( 即氧气浓度值) 和_ 二氧化碳报警值，当 控制箱上的氧气传感器监测到房间内氧气浓度己达到要求的值时，它白动停机；当二氧化碳浓度超 过一定范围( 一般为3 5 0 0 p p m ) 时，自动激活二氧化碳吸收器；当二氧化碳浓度超过报警值时，系 统自动激活风扇，并进行二氧化碳超标报警。先进之处在于这样低氧房内的氧气浓度就不会过低， 二氧化碳浓度也不会出现过高的现象。有一定的安全保障”1 。 利用人工低氧房进行“高住低练”训练是近年来体育科技专家、运动生物学家提出的一种新型 耐力项目训练方法，这种训l 练方法可以使受试者在最理想的环境下接受训练，在休息和睡眠时接受 低氧环境刺激，促进体内产生更多的促红细胞生成素，简称促红素( e p o ) ，增加红血球含量、血液 、 量和细胞能量仓库线粒体的数量，提高血液输氧能力和肺部换气功能，增强人体极限忍耐力，加快 疲劳恢复“。 1 4 本章小结 随着常压低氧环境被世界的逐渐认识和接受。它的应用也将越来越广泛。关注和研究这种环境 的专家也越来越多。目前，国内也开始购买这些低氧发生器，主要在体育界试用。如何使这种环境 更好的应用于各行各业，成为目前国内在这方面的研究主流。 可见，在模拟常压低氧环境的基础上，实现对此环境的自动监测与控制对整个低氧研究系统将 起到举足轻重的作用。 9 堂堡堡墨至篁塑鱼垫些型兰堡型至竺 第二章实验的建立 2 1 实验建立的意义 公元2 0 0 1 年7 月1 3 日，北京赢得了2 0 0 8 年奥运会的承办权。举国上下一片欢腾，每一个中 国人发至内心感到自豪。北京从此进入一个成功圆满的举办奥运的加速发展时期，米米儿年内，将 进行大规模的基础设施和环境建设。为认真备战2 0 0 8 年北京奥运会，确保我国竞技体育的辉煌和k 盛不衰，全国必须积极探索和努力实践。争取为国家奥运战略做出更大的贡献。 让我们来看一个现实的事例一在国际上引起震撼的“马家军现象”。马俊仁教练的基本方 法是以高原训练提高队员的运动速度和耐久力，连续刷新女子中长跑运动的世界纪录。历史的经验 告诉我们高原训练可以培养出许多奥运冠军、i 弧军、季军。从严从难的高原训练，可以提高运动 员的综合素质和应变能力。高原的自然环境对人体影响最大的是低氧刺激，这对于运动员训练出好 成绩的作用非常大。 专家们”1 根据人体所必要的摄氧量看，海拔2 0 0 0 米至2 5 0 0 米是高原训练的最佳高度。我国 运动员的中长跑、游泳、足球等多在海拔1 8 9 0 米的昆明训练。竞走、自行车等多在海拔2 3 0 0 米的 西宁多巴训练。如果有了人工模拟高原低氧环境的科学技术，就会取得比在实际高原中更好的效果。 这一点在第一章中已经提到。 瞄准2 0 0 8 年北京奥运会，由于意义重大，不妨先作试点，摸索经验，再行推厂，很可能对2 0 0 8 年的北京奥运会做出意想不到的贡献。北京体育大学就常压低氧环境的模拟和探索研究上在中国开 了先河。 2 2 北京体育大学的低氧训练研究中心 在国家体育总局科教司的支持下北京体育大学建成了低氧训练研究中心。目前，此中心有2 间氧气浓度、温度、湿度及空气洁净度可控的低氧室。环境舒适，可同时供8 名运动员居住。北京 体育大学低氧训i 练研究中心是利用分子膜分离空气成分的原理制作而成的，具有常乐低氧的特点。 1 0 ! 型! 三些查兰竺= ! 三兰垡堡苎 选用的主要仪器设备都是从美国进口的新型设备，米白于在低氧环境模拟的研究中具有世界领先水 平的公司h y p o x i cl n c 。再加上研制成功的氧气、二氧化碳自动监控系统，保证了运动员在使用过程 中的安全。此外。研究中心还设置了高氧吸入系统，可帮助运动员训练后疲劳的恢复。因此，北京 体育大学低氧训l 练研究中心实际是一所综合性的特殊环境训练设施。即可通过低氧刺激提高运动员 有氧能力，又可通过高氧吸入加快运动训练后疲劳的恢复。 2 3 北京体育大学的低氧环境介绍 2 3 一l 实验主要设备 低氧房间两间，体积是3 4 0 0 m m x3 0 0 0 m m x 3 0 0 0 m m ，每间房间内部布置四个床位，低氧房的建筑 围护结构和室内装修( 包括墙壁和顶棚) 选用的是气密性良好、且在温度和湿度变化时变形小的材 料。低氧房外窗设计符合下列要求：低氧房设置外窗采用双层玻璃固定窗，并具有良好的气密性， 而且玻璃的隔音效果很好，低氧房的门加设闭门器。门窗都采取可靠的密闭措施：纤维布条粘贴乐 缝。 为了保证房间的舒适度和保证实验环境控制准确性的要求，房间内还装有一些辅助设施，比如 加湿器、空调、空气净化器、灭菌灯等f 面分别对其型号和作用做简单介纠： 加湿器：选用北京弧都室内环保科技有限公司制造的超声波加湿器，型号为y c r c 2 0 0 2 。删来 保证房间内的湿度。 空调：选用广东志高空调有限公司生产的挂壁式房间调节器，循环风量 = 3 7 0 m