無氧閾測定方法的研究進展

摘要：從有創和無創兩個方面對無氧閾的測定方法進行了闡述。有創測定法主要指乳酸法，是目前應用最廣泛的一種測定方法。對無創測定法的研究近年來發展迅速，其中通氣無氧閾、心率無氧閾、積分肌電閾研究已較為成熟。而用近紅外光譜技術、肌氧含量、STI、神經網絡模型推測無氧閾是近年來新的研究成果，還有待于進一步探索。

關鍵詞： 無氧閾；血乳酸；有創測定法；無創測定法

中圖分類號： G804.7文章編號：1009-783X(2006)06-0068-03文獻標識碼： A

無氧閾（Anaerobic Threshold ，AT）是指人體在逐級遞增負荷運動中，開始大量動用無氧代謝供能的臨界點，常以血乳酸水平達到4mmol/l時所對應的強度或功率來表示［1］。機體的能量供應形式包括有氧供能和無氧供能，無氧閾是測定有氧代謝能力的重要指標，人體的無氧閾值越高，機體的有氧供能能力越強。自從1964年Wasserman［2］首次提出無氧閾測定方法之后，引起了許多專家學者的關注并相繼進行了大量研究。在運動實踐中，無氧閾可以用來評定運動員的耐力水平，制定訓練方案和運動處方等。因此，研究準確可靠、簡便易行的無氧閾測定方法具有重要的現實意義。本文從有創和無創兩個方面對無氧閾的傳統測定方法和近些年來新的研究成果進行了綜述。

1有創測定法

1.1乳酸無氧閾

在小強度和中等強度運動中，機體能量主要由有氧代謝途徑獲得，即使有少量的乳酸生成，也會迅速被氧化。因此，當耗氧量上升時，血乳酸濃度變化不大。當運動強度達到無氧閾時，機體氧化供能已經不能滿足代謝需求，糖原分解加速，使糖酵解速度大大加快，引起無氧氧化過程加速，促使機體內丙酮酸轉化為乳酸，改變了血液中乳酸和丙酮酸的比例，體內乳酸生成速率大于乳酸消除速率，致使乳酸堆積。乳酸無氧閾（LAT）的測定就是通過測定遞增負荷運動中血乳酸的變化，即在運動中每間隔一定時間對受試者取血，一般用導管法直接從動脈或靜脈取血，也可從耳垂或手指取血，將血乳酸濃度變化與運動強度或做功能力變化的關系繪制成乳酸動力學曲線。血乳酸值從平穩值轉為明顯增加值的拐點，即機體供能方式由有氧供能為主轉為無氧供能為主的臨界點，即為乳酸無氧閾。李明智等讓6名專業速滑運動員用不同速度滑跑1500米，研究發現血乳酸在運動強度80%左右出現拐點［3］。杜忠林等用三級負荷測試賽艇運動員的無氧閾且每級負荷持續時間不同，對結果進行比較發現8分鐘與4分鐘三級負荷測試結果存在較顯著差別，但二者存在高度相關性，4分鐘測試測定乳酸無氧閾更為實際［4］。

這種測試方法有其局限性。由于測定的是血乳酸的變化，但運動中骨骼肌乳酸的增加與血乳酸的增加往往是不同步的；當受試者樣品較大時，個體乳酸無氧閾的變化范圍很大。而且，對血乳酸的測試是有創的，采血點有多個，很多運動員都不愿意接受這種有創測試。另外，血乳酸的分析測試需要使用相應的儀器設備、技術和資金，在許多業余體校甚至部分省市級運動隊都無法采用血乳酸測試無氧閾。雖然如此，由于對乳酸無氧閾研究時間較長發展較為成熟，有很高的實用性，這仍是目前最常用的測定無氧閾的方法。

2無創測定法

2.1通氣無氧閾

通氣無氧閾（VAT）的測定是通過測試氣體代謝指標的變化來反映供能代謝變化的。在遞增負荷運動過程中，隨著運動負荷的增加，無氧供能比例也增加，乳酸的積累也不斷增加，而乳酸的增加需要靠血液中的堿儲備來緩沖，因此產生的二氧化碳大量增加，這會刺激呼吸中樞使肺通氣量增多，使氣體代謝指標發生變化。在運動強度沒到無氧閾時肺通氣量的增加與機體的需求成比例，而到無氧閾以后，通氣量不成比例增加，遠遠超過機體正常代謝需要，其主要作用為清除體內多余的二氧化碳和乳酸。通氣無氧閾的測定需要使用氣體分析儀，通常測定的氣體代謝指標有：肺通氣量（VE）、攝氧量(VO2)、二氧化碳的排出量（VCO2)、呼吸商(R)等。用通氣無氧閾測試無氧閾判定標準為：逐級遞增負荷運動時，VE/VCO2出現非線性增加的拐點，或運動負荷達到一定功率后，VE/VO2出現陡峭升高點，同時VE/VCO2未見降低。也有用VO2與VCO2關系曲線上的拐點來判定無氧閾。比爾等研究發現在無氧閾以下時，VCO2與VO2的比值穩定，成比例增加;在無氧閾以上時，VCO2與VO2的增加率有明顯升高［5］。

王春泉等實驗發現通氣閾與乳酸無氧閾相關性較高，乳酸的變化引起通氣閾的非線性變化。乳酸無氧閾出現拐點的時間為13.71±1.78min，通氣無氧閾出現拐點的時間為14.17±2.04min較乳酸無氧閾稍晚［6］；Yamamoto研究發現用通氣閾的強度進行30分鐘運動后，血乳酸可保持在穩定狀態［7］。

用通氣閾測定無氧閾，最大優點是無創的，避免了取血造成的受試者的恐懼及操作程序的繁瑣，有較高的重復性，且測定結果與運動時間的長短無關，已被許多領域都廣泛應用，在普通人和運動員中應用都很方便。但此方法也存在缺點，由于測定過程需要使用面罩，運動員動作不很方便，常有不適感覺，呼吸阻力也較大，對肺通氣量和運動負荷會產生一定的影響，進而影響測定的結果。

2.2心率無氧閾

意大利學者Conconi等（1982）首次報道了用心率推測AT(HRAT)的可能性，他們發現在田徑跑道上，在逐漸增加跑速時，受試者的心率與跑速呈線性增加，當跑速增加到一定速度后，隨速度的增加，心率的增加率出現非線性變化，呈現平臺趨勢，Conconi將心率開始呈非線性增長的點稱為心率閾值。出現上述變化的原因有兩方面，一方面在中等強度運動或次極限強度運動時，心率維持在與運動強度相適應的水平，這主要通過神經調節實現。運動中來自肌肉和關節本體感受器的向心沖動和竇房結牽張反射，以及其他外周神經的向心沖動，以及交感神經緊張性的增強都使得心率反射性加快。另一方面當運動強度達到無氧閾以后，心率變化主要通過體液調節。無氧代謝產生較多的乳酸和其他代謝產物可以刺激頸動脈體和主動脈體化學感受器，使呼吸加深加快，反射性引起心率增加；另外交感腎上腺系統使血流重新分配、循環血量增加、回心血量增加，引起心房壓力感受性反射增強，也可反射性引起心率增加；運動中的體溫升高使血流加快等因素也使得心率增加。由于體液調節相對緩慢，所以在達到無氧閾以后心率增加緩慢，相對維持在一定的水平，即出現非線性變化。宋高晴等對20名湖北省賽艇隊運動員用心率法測無氧閾發現，有15名受試者出現Conconi心率特征，即隨運動強度的增加，心率上升；當運動達到某一強度時，心率曲線形成一個明顯的拐點稱非線性變化。心率拐點的范圍為163～183(次/min)，并發現15名受試者均是在85%～90%強度之間出現拐點。同時他們也發現，乳酸無氧閾的拐點比心率拐點出現較早，說明兩種方法對無氧閾評價存在差異［8］。鄭紅英對11名體育系學生用心率法測無氧閾也發現，81%受試者最初心率都隨運動強度增大呈線性增大，到做功量達到某一水平時，心率與運動強度發生非線性偏離，出現心率變化的拐點［9］。Catai、Novais等在對9名受試者的實驗中指出，在次最大強度運動中，心率曲線可以用來推測無氧閾［10］。

用心率法測定無氧閾無創傷、簡單方便且重復性高，已在一定范圍內應用。但是由于心率有較大的變異性，有些研究表明，隨著運動負荷增加，心率不出現拐點，因此有學者認為此方法不可靠。Ozcelik、Kelestimur等對8名未經訓練的男性受試者在功率自行車上進行兩次遞增負荷實驗（一次是在室內正常條件下、一次是在氧含量為12%的低氧條件下）用心率法來推測無氧閾，結果發現僅2名受試者在室內正常條件下心率曲線發生偏離出現拐點，大部分受試者都未見到拐點。在低氧條件下也只有4名受試者出現拐點［11］。肖國強指出，應用Conconi法測試心率無氧閾時應為運動員或訓練者，測試方法應接近專項技術動作［12］。Droghetti也通過研究發現，采用接近專項技術的測試方式，出現心率無氧閾值的比例較高［13］。

2.3積分肌電閾

當運動負荷增加到一定程度會引起肌肉細胞內無氧氧化過程明顯增加，細胞內乳酸急劇增加，導致細胞膜上Na+、K+—ATP酶活性迅速受抑制或失活，不能滿足細胞內外鉀、鈉離子的交換，使膜電位發生明顯變化，收縮功能隨之降低。這時，肢體積分肌電值由線性增加轉變為非線性增加，出現的拐點稱為積分肌電閾。王春泉等通過測定7名男性競走和長跑運動員遞增負荷運動時的無氧閾發現，乳酸無氧閾與積分肌電閾相關性顯著（r＝0.84），且所測積分肌電閾在通氣閾之前發生［6］。吳紀饒等對25名賽艇運動員運用積分肌電閾的方法測試無氧閾，也同樣發現測得的積分肌電閾與乳酸無氧閾高度相關［14］。

積分肌電閾(EMGAT)是一種新的無損傷測定無氧閾的方法，具有簡單方便、重復性高的特點，應用前景非常廣闊。但測試時需特定的儀器，有可能存在誤差，應進一步深入研究提高儀器的精確性，減少誤差。

2.4近紅外線光譜技術測定無氧閾法

近紅外線光譜技術（NIRS）是一種能穿透機體組織的近紅外線連續光譜。此技術近年來的發展非常迅速。近紅外光譜技術是利用血紅蛋白攜氧量的不同，對近紅外光（600－1000nm）呈現出不同的吸收光譜來確定氧化代謝狀態。在遞增負荷運動中，當運動強度不斷增大達到無氧閾水平時，乳酸大量堆積，二氧化碳和H+濃度迅速增高，由于Bohr效應，使氧氣和血紅蛋白的親和力快速降低，通過透入肌肉的近紅外線光譜反映脫氧合Hb/Mb的數量顯著增多，使光密度出現明顯下降而出現拐點，即為無氧閾。繆素等對20名自行車運動員在功率自行車逐級遞增負荷過程中，同步測定氣體代謝、乳酸、股四頭肌組織中Hb/Mb的光密度變化等，發現光密度變化曲線有明顯的“轉折點”此時功率水平與通氣無氧閾顯著相關（r=0.777-0.805）；與乳酸濃度變化高度負相關（r=0.91-0.99）［15］。

用近紅外光譜技術可以測定局部肌肉組織代謝水平，評定運動員有氧運動能力及運動后恢復能力，但目前相關的研究較少，進一步研究可為無氧閾的無創測定提供一種新途徑。

2.5肌氧含量測定無氧閾法

無氧閾反映局部組織利用氧的能力即骨骼肌的有氧代謝能力。遞增負荷使無氧閾出現時，有氧代謝減弱，血液清除乳酸速度減慢，血乳酸大量堆積，促進了氧離作用，終末毛細血管氧分壓顯著下降，那么在無氧閾時肌細胞內的氧含量（簡稱肌氧含量）是否也剛好下降到一定程度出現拐點？Belardinelli等通過試驗發現在負荷低于乳酸無氧閾時肌氧含量下降緩慢，達到乳酸無氧閾時肌氧含量下降加速，即出現明顯的拐點。同時也發現肌氧含量下降與乳酸的升高相關［16］。曹建民等研究也發現，遞增負荷運動時肌氧含量的下降與乳酸的升高二者高度相關［17］。上述均說明肌氧含量出現拐點可以用乳酸的變化解釋，肌氧含量可以用來推測無氧閾。

由于肌肉的輕微收縮就會引起肌氧含量的變化，所以此方法容易產生誤差，且目前僅用乳酸變化來解釋肌氧含量下降時的拐點，對于是否還存在其它機制還有待進一步探索。但用肌氧含量來推測無氧閾，儀器使用較便宜，測試方便無創，進一步研究應用前景廣泛。

2.6STI推測無氧閾法

STI指心臟收縮時間間期，STI的測量指標有多種，其中主要的有：心率（HR）、左心室射血時間（LVET）、射血前期（PEP）、PEP/LVET、機械收縮間期（MST）電機械延遲時間（EML）、Q-U/LVET等。其中Q-U為射血前期（PEP）與脈搏傳遞時間（PWTT）之和。楊建昌等通過試驗證實，用STI指標中的一些指標可以推測無氧閾。PEP/LVET曲線的最低點和EML曲線斜率陡降的拐點所對應的負荷；Q-U/LVET曲線拐點所對應的負荷后移20W；LVET曲線和MST曲線拐點所對應的負荷即為所推測的無氧閾。乳酸無氧閾與用STI指標推測的無氧閾之間高度相關（r＝0.9325）［18］。

用此方法推測無氧閾簡便易行、重復性高，具有廣泛的應用前景。但有關此方面的研究國內外資料報道很少，尚需要進一步深入研究。

2.7神經網絡動力學模型推測無氧閾法

神經網絡動力學模型以非線性處理為基礎，研究由短期記憶和分層前饋網絡構成的動態系統，反饋非線性動態系統的穩定性和聯想記憶，以及另一類非線性動態驅動的遞歸網絡系統。Ringwood研究認為，通過建立神經網絡動力學模型可以推測出人體的無氧閾水平。此方法是利用動力學數據做出心率非線性變化的曲線來推測無氧閾［19］。

用神經網絡動力學模型推測無氧閾的方法是近年來新提出的一種無創測定無氧閾的方法，國內尚無報道，國外研究的也較少，所以對其機制、可行性和應用等很多方面都有待于進一步探索。

3結論

目前，對于無氧閾的測試已經引起越來越多的學者關注，已有的測試方法有多種，有些技術已經較為成熟，人們還在不斷探索新的更為準確實用的測試方法。上述介紹的幾種測試方法中，乳酸法是準確性較高、應用最為廣泛的一種，但因其是有創的，已經逐步被一些無創測試法所取代。在無創測試法中，對通氣無氧閾、心率無氧閾和積分肌電閾研究較多，使用已較為廣泛，且這幾種方法應用簡單方便、重復性較高。近紅外線光譜技術近年來發展迅速，用來測定無氧閾已被實驗證明是完全可行的，為無創測定無氧閾提供了一種新途徑。用肌氧含量、STI、神經網絡模型推測無氧閾研究還不成熟，報道較少，對于其中的一些機制還不太清楚，但這幾種方法都有其實用性，應用前景廣泛。若我們能在方法學上對無氧閾深入研究、選擇得當，它將在體育訓練、航空、航天及臨床治療中發揮重要作用。應當注意的是，無氧閾存在個體差異，運動員（特別是專業運動員）相對于普通人來說無氧閾較容易測定。

參考文獻：

［1］田野.運動生理學高級教程［M］.北京：高等教育出版社，2003

［2］Wasserman K，Mcieroy MB.Detecting the threshold of an-aerobic metabolism in cardiac patients during exercise［J］.AM J Cardiol.1964，14：844-852

［3］李明智，等.高等級速滑運動員無氧閾的測定［J］.冰雪運動，1993，1：41-42

［4］杜忠林，等.賽艇項目三級負荷測試方法的研究［J］.湖北體育科技，1997，3：35-41

［5］夏云建，等譯.從訓練中的VCO2－VO2關系曲線分析肌肉呼吸商和乳酸積累［J］.湖北體育科技，1997，3：47-55

［6］王春泉，劉曉林，等.無氧閾不同測定方法的同步比較［J］.航天醫學與醫學工程，1994，7(4)：291-294

［7］Yamamoto Y，et al.The ventilatory threshold gives maximal la-ctate steady state［J］.Eur J Appl Physiol，1991，63：55-59

［8］宋高晴.兩種無氧閾測試法在賽艇運動中應用的比較研究［J］.武漢體育學院學報，2005，39(7)：64-66

［9］鄭紅英.利用“臺階遞增負荷法”測定無氧閾的初探［J］.廣西體育科技，1996，17(4)：31-32

［10］Catai AM，Novais LD et al.Identification of anaerobic thres-hold using heart rate response during dynamic exercise［J］.Braz J Med Biol Res，2005，38(5)：731-735

［11］Ozcelik O，Kelestimur H et al.Effect of acute hypoxia on the de-termination of anaerobic threshold using the heart rate-worke rate relationships during incremental exercise tests［J］.Physiol Res，2004，53(1)：45-51

［12］肖國強.心率閾值研究進展［J］.中國運動醫學雜志，2001，20(3)：305-308

［13］Ddoghetti P，et al.Noninvasive determination of the anaerobic threshold in canoeing，cross-country sking，cycling，roller and cie slating，rowing and walking［J］.Eur J Appl Physicol，1989，53：299-303

［14］吳紀饒，等.運用積分肌電閾評定賽艇運動員有氧耐力的研究［J］.體育科學，1993，3：66-69

［15］繆素，等.近紅外光譜診斷技術在運動醫學中的應用－無損傷測定無氧閾的新途徑探討［J］.中國運動醫學雜志，1998，17(3)：243-245，237

［16］Belardinelli R，Barstow TJ，Porsasz J.Changes in skeletal mu-scle oxygenation during incre mental exercise measure with near infrared spectroscopy［J］.Eur J Appl Physiol，1995，70：487-492

［17］曹建民，等.運動時肌氧含量無損傷測定與血乳酸變化關系［J］.北京體育大學學報，1998，21(1)：36-38

［18］楊建昌，高新友.用STI指標推測無氧閾的新方法探討［J］.西安體育學院學報，1993，11(1)：65-67

［19］Ringwood JV.Anaerobic threshold mearsurement using dy-namic neural network models［J］.Comput Biol Med.1999，29(4)：259-271