高強間歇運動恢復期肌氧飽和度與心率、血乳酸變化關系的研究

畢學翠，詹建國

運動訓練中，心率(Heart Rate，HR)與血乳酸(Blood Lactate，BLA)兩項指標作為評價運動員承受運動負荷大小及是否恢復的常用指標，在運動訓練科學研究與實踐中廣泛使用。訓練實踐中通常以運動員HR和BLA恢復到一定程度作為安排下一次訓練的依據的做法被廣泛接受。但是，HR、BLA恢復到一定程度如安靜時水平就能準確表示有機體各系統都得到恢復嗎?值得商榷。

近年來，近紅外光譜技術的發展，使人們及時監測運動過程中人體骨骼肌的氧代謝狀況成為可能。近紅外光譜監測技術(Near-infrared Spectroscopy，NIRS)是利用骨骼肌組織內氧合血紅蛋白(HbO2)和脫氧血紅蛋白(Hb)吸收光譜波長不同的特點[1]，動態監測骨骼肌組織中血紅蛋白的光學參數的變化，進而了解骨骼肌組織內氧氣供應和消耗的動態平衡。目前，NIRS被認為是運動生物醫學監控中極具發展潛力的檢測手段[2]。在運動生理學領域已被廣泛運用于評價肌肉氧化代謝功能[2]。運動訓練領域相關研究業已證明，NIRS可以監測運動過程中肌肉組織有氧、無氧代謝的狀態[3]。肌氧飽和度(Muscle Oxygen Saturation，SMO2)因而成為繼HR、BLA之后，監控運動負荷大小及恢復程度的又一重要指標。相關研究表明，運動過程中不同運動負荷刺激下SMO2與BLA、HR等指標均有十分密切的關系[4-6]，但是學界對于高強間歇運動后恢復期SMO2與HR、BLA變化關系的研究卻少有涉及。

本文擬通過分析高強間歇運動后恢復期SMO2與HR、BLA的變化關系，探求高強間歇運動后恢復期SMO2與HR、BLA變化的內在聯系，為更好的應用SMO2這一指標監控和評價高強間歇運動后人體恢復情況提供參考。

1 研究方法

1.1 受試者

選取某體育學院運動訓練專業50名男學生(二級運動員)作為受試者，實驗前明確告知測試流程和測試要求，經受試者同意后簽署知情同意書。自愿參加本測試，保證嚴格按照測試要求完成本項實驗。

表1 受試者基本情況統計Table 1 Basic information of the subjects

1.2 實驗設計

1.2.1 實驗設備 SRM Ergometer(德國)系統，Moxy肌氧監測儀(美國)，Lacate-Scout便攜式乳酸鹽分析儀(德國)，Polar800cx心率表(芬蘭)等。

1.2.2 實驗流程

測試人員測試前熟悉測試程序。受試者測試前24小時避免大強度運動，餐后2小時測試。測量受試者身高、體重、年齡等基本信息。測試方案采用場地自行車運動員訓練實踐中經常采用的高強間歇訓練方案[7]，即受試者進行15～20 min騎行運動熱身，熱身結束10 min后，受試者進行第一次全力騎行30 s，結束后慢騎積極休息10 min，然后進行第二次全力騎行30 s，結束后慢騎積極休息10 min，之后進行第三次全力騎行30 s，3次全力騎行全部結束后受試者均保持坐立式體位，休息20 min。

1.2.3 測試指標

(1)BLA。采集耳血，分別記錄受試者安靜時，測試前，運動后即刻，運動后恢復第1 min、3 min、5 min、7 min、9 min、15 min 和20 min 的 BLA。

(2)HR。受試者佩戴心率表后，開始全程采集受試者安靜、運動開始到運動后恢復20 min的HR變化數據。

(3)SMO2。測試儀器為美國產Moxy肌氧監測儀重42 g，尺寸為61×44×21 mm，4個發光二極管發射波長為630～850 nm光波進入肌組織，肌組織反射的近紅外光由位于距離光源12.5 mm和25 mm的兩個光學檢測器收集。HbO2與Hb吸收和反射近紅外光的方式不同，通過組織光傳播模型和比爾—朗伯(Beer-Lambert)定律計算肌組織內Hb的總量和SMO2的變化[8]。 在佩戴儀器前酒精擦拭測試部位，防止皮膚雜質等對信號的干擾。儀器放置在騎行膝關節主要伸肌群——左右腿的股外側肌中間部位[1]。監測儀器放置好后用黑色運動膠帶固定，防止外界近紅外光干擾，運動膠帶松緊適度防止過緊局部缺血。Moxy肌肉氧氣監測儀從安靜開始全程采集受試者股外側肌運動與恢復的SMO2的變化。

(4)HR恢復率[9]。根據HR在運動后恢復的特點，HR恢復率計算公式如下，心率恢復率越高，代表心率恢復速度越快。

(5)BLA清除率[9]。根據BLA在運動后恢復特點，BLA清除率計算公式如下，BLA清除率越高，乳酸能力清除強，BLA恢復越快。

(6)SMO2恢復率。根據SMO2在運動后恢復的特點，SMO2的恢復率計算方法為恢復SMO2數值與SMO2安靜數值(運動前30 s SMO2的平均值)的百分比，恢復率越高SMO2恢復就越快。

1.3 統計方法

選取3次30 s高強間歇運動后即刻至20 min內恢復期的SMO2、HR及BLA數據進行分析。實驗數據采用SPSS 21.0軟件處理。測試結果均用平均數±標準差(±s)表示，使用Shapiro-Wilk法檢驗數據的正態性。為避免準確度下降，不同時相SMO2、HR和BLA的差異性檢驗采用重復測量的方差分析，P＜0.05為差異具有顯著性。在恢復過程中SMO2與HR、和BLA的相關性采用Pearson相關分析，P＜0.05為具有相關性。

2 研究結果

2.1 高強間歇運動后恢復期SMO2、HR及BLA變化的時相性特征

圖1 運動和恢復全程SMO2和HR變化Figure 1 Diversification of SMO2and HR during exercise and recovery

圖1是在高強間歇運動時和恢復期內雙腿SMO2和HR值的變化曲線，用SMO2的相對變化量表示(△SMO2%)，即：△SMO2%=第 N秒 SMO2值—SMO2基礎值(運動前30 s SMO2平均值)[10]；HR指標則用HR的相對值表示(△HR)，即：△HR(beats/min)=HR基礎值(運動前30 s HR的平均值)—第N秒HR值。由圖1和圖2可以看出高強間歇運動后恢復期左腿股外側肌與右腿股外側肌SMO2存在高度相關(r=0.999，P＜0.01)，兩腿SMO2在運動后20 min內變化趨勢基本一致。運動后即刻兩腿SMO2數值最低，運動后1 min SMO2數值與即刻數值存在顯著性差異(P＜0.05)，運動后3 min SMO2與1 min數值存在顯著性差異(P＜0.05)，運動后5 min SMO2與3 min數值同樣存在顯著性差異(P＜0.05)。5 min后隨著恢復時間的延長 SMO2在 7 min、9 min、15 min 和 20 min 數值與上一時相測試結果差異不顯著(P＞0.05)，表明SMO2恢復已經進入平穩狀態(表2)。

圖2 恢復1 min內SMO2與HR恢復變化Figure 2 Diversification of SMO2and HR within 1 min recovery

表2 高強間歇運動后恢復期不同時間SMO2，HR和BLA的數值Table 2 SMO2，HR and BLA at different time in recovery period after high-intensity interval exercise

本研究結果顯示，高強間歇運動后恢復期SMO2的變化特征是：在運動后1 min，左右腿SMO2快速恢復到運動前安靜水平，恢復率高達100.14%和100.15%，1 min后至20 min SMO2恢復率變化較小，一直高于運動前安靜水平，處于“超量恢復”階段(表3)。

表3 高強間歇運動后恢復期SMO2，HR和BLA的恢復率Table 3 Recovery rate of SMO2，HR and BLA at different time in recovery period after high-intensity interval exercise

高強間歇運動后恢復期20 min內HR隨著恢復時間的延長逐漸下降(圖1和圖3)，心率在不同時相，恢復速度不同。恢復期1 min時的HR與運動后即刻HR存在顯著性差異(P＜0.05)，3 min時HR與1 min時HR存在顯著性差異(P＜0.05)，5 min時HR與3 min時HR存在顯著性差異(P＜0.05)，7 min時HR與5 min時HR存在顯著性差異(P＜0.05)，9 min時HR與7 min時HR差異不顯著(P＞0.05)，15 min時HR與9 min時HR差異不顯著(P＞0.05)，20 min時HR與15 min時HR差異不顯著(P＞0.05)(表2)。

圖3 運動后不同時點HR、SMO2和BLA恢復變化Figure 3 HR，SMO2and BLA Recovery at different time points after exercise

本研究結果顯示，高強間歇運動后恢復期HR的變化特征是：運動后HR恢復率呈現先快后慢的變化趨勢。運動后即刻至3 min HR呈快速恢復，運動后1min內恢復速率相對最大為40%，3 min時HR已恢復至運動前安靜HR的50%。隨后HR恢復速率變慢，3 min至15 min時HR恢復速率逐漸變慢，15 min至20 min時HR恢復速率進一步變慢，5 min內 HR恢復率僅從 76.21%恢復到77.26%(表3)。

運動結束后的BLA恢復情況與HR和SMO2恢復變化趨勢不同，BLA在運動結束以后快速升高，在運動后3 min時BLA濃度值達到最大，然后隨著恢復時間的延長，BLA開始消除，BLA數值下降(圖3)。恢復期1 min與運動后即刻的BLA存在顯著性差異(P＜0.05)，其他各時相BLA與前一時相BLA值無顯著性差異(P＞0.05)(表2)。

BLA清除率代表運動后BLA的變化速度，本研究結果顯示，高強間歇運動后恢復期BLA的變化特征是：在運動后即刻至1 min，BLA快速積累，恢復率為-39.06%，隨后3 min BLA累積速度減慢，恢復率為-6.24%。在運動后3 min BLA開始進入清除狀態，隨著時間的延長清除率逐漸增大，至20 min時BLA的清除率達到13.19%(表3)。

2.2 高強間歇運動后恢復期SMO2與HR變化的關系

SMO2和HR在本實驗中是同步采集的連續數據，為了更直觀的反應SMO2和HR的恢復狀況，將圖1每秒SMO2和HR換算成絕對值。縱觀整個運動和恢復過程，當運動開始HR快速上升，SMO2同步呈現快速下降趨勢，在運動過程中左右腿SMO2和HR 有高度的相關關系(r左腿=-0.908，r右腿=-0.925，P＜0.01)；運動結束后SMO2和HR也呈現快速恢復的趨勢，運動后20 min內左右腿SMO2和HR 恢復存在中度相關(r左腿=-0.545，r右腿=-0.542，P＜0.01)。

從恢復時相上分析，運動結束后1 min內左右腿 SMO2恢復和 HR恢復呈高度相關(r左腿=-0.928，r右腿=-0.925，P＜0.01)(圖 2)。 隨著恢復時間的延長SMO2與HR恢復的相關程度逐漸下降，15 min后兩者變化不相關(表4)。

2.3 高強間歇運動后恢復期SMO2與BLA變化的關系

本實驗BLA指標與SMO2和HR指標采集的方式不同，BLA只能在固定時間點采集，所以呈現的是非連續性數據。在運動后恢復期SMO2快速上升，BLA也上升并在3 min左右達到峰值，1 min后SMO2維持在“超量恢復”水平，3 min后BLA緩慢下降。在20 min恢復期內BLA恢復值與左右腿SMO2恢復值總體不相關(P＞0.05)(圖1)。

表4 高強間歇運動后恢復期左右腿SMO2與HR變化的關系Table 4 Relationship between SMO2 and HR changes in recovery period after high-intensity interval exercise

3 討論與分析

SMO2的變化曲線是骨骼肌局部氧含量恢復程度和氧化代謝水平的動態反應[11]。高強間歇運動開始，大量快肌纖維募集，快速動用肌組織內的糖原合成ATP，由于肌糖原的儲備有限，運動開始后很快耗竭，此時能量供應需要大量O2[12]。 肌組織內HbO2解離生成Hb與O2參與肌細胞的物質能量代謝[13-15]，HbO2含量減少，SMO2曲線快速下降。 運動后肌肉活動雖然停止，但機體仍處于高代謝水平，循環系統的適應性變化仍保持高血流供應，肌肉組織中血管處于擴張狀態，大量血液供應到運動肌肉，組織微血管中的Hb與O2進一步結合，同時，局部組織微血管中O2的供應超過肌細胞的利用能力，微靜脈中HbO2濃度逐漸上升，甚至超過安靜時的水平，因此，出現所謂的“超量恢復”現象[16-20]。結果顯示，高強間歇運動后恢復期SMO2在短時間內呈現急劇反彈上升的特征。在35 s左右的時間SMO2的數值就快速上升到運動前安靜時的水平，隨后SMO2的恢復超過運動前安靜時水平，出現“超量恢復”現象。與此前相關研究結果不同的是本研究結果顯示SMO2在恢復期20 min內仍處于“超量恢復”階段，而此前相關研究的SMO2“超量恢復”只持續大約60 s至90 s的時間[1，21-22]。由于運動后SMO2恢復主要受運動強度[23]、訓練模式[24]和機體運輸氧氣和利用氧能力的影響，因此，研究結果的差異可能與本實驗設計的運動強度和間歇休息方式不同有關，具體原因有待進一步研究。

訓練實踐中HR是監控運動負荷的常用指標。運動后HR恢復速度和程度可以衡量運動員對運動負荷的適應水平或身體機能狀況[25]。定量負荷后，運動員HR恢復加快，提示運動員對訓練負荷適應或機能狀況良好[26]。相關研究表明，運動后HR恢復一般分為三個階段，分別是快速恢復期、緩慢恢復期和穩態期[27-28]，結果顯示在高強間歇運動后HR恢復同樣呈現先快后慢的變化趨勢。運動后即刻至3 min HR呈快速恢復，運動后1 min內恢復速率相對最大為40%，3 min時HR已恢復至運動前安靜HR的50%。隨后HR恢復速率變慢，3 min至15 min時HR恢復速率逐漸變慢，15 min至20 min時HR恢復速率進一步變慢，5 min內HR恢復率僅從76.21%到77.26%。相關研究發現SMO2與HR在運動過程中會隨著運動強度和運動時間的變化，呈現出中度負相關關系，SMO2可以和HR指標一樣作為運動負荷監控的有效指標[29]。結果顯示，高強間歇運動后SMO2與HR的相關程度會隨著恢復時間的延長而變化。在恢復初期，特別是在1 min內，HR與SMO2同時快速恢復，兩者變化的相關程度最高。3 min至15 min HR恢復速度減緩，SMO2進入超量恢復階段，兩者變化的相關程度逐漸降低，15 min后兩者變化不相關。兩者這種相關程度的變化特征可能與控制HR和SMO2恢復的機制不同有關[30]。HR恢復受心臟交感神經和副交感神經相互影響[31-32]。也有研究認為，運動后HR恢復主要是副交感神經再激活的結果[33-34]。運動停止后迷走神經再激活調節HR恢復到運動前水平需要一段時程[35]。在大負荷運動剛結束時副交感神經活動占優勢，降低神經沖動的激發和傳導速度，HR快速下降[36]。在緩慢恢復期副交感神經活動開始降低，同時交感神經活動逐漸恢復，HR的恢復速度開始減慢，在第三階段副交感神經張力和交感神經的張力處于相對平衡狀態[37-39]。SMO2含量變化主要反映的是局部肌肉氧利用的情況，HR的變化主要反映的是有機體整體氧運輸的情況[40]。SMO2與HR的變化關系可以理解為局部肌肉氧的需求與有機體整體氧供應之間的關系，它們之間相互影響、相互促進。

BLA也是訓練實踐中常用監控指標之一，通過BLA的變化可以了解機體乳酸生成和代謝變化特點，是評定訓練強度和代謝機能的有效依據[36]，研究認為運動后BLA濃度越高說明訓練后運動員恢復狀態不佳或者機體氧化代謝能力較差[41]。BLA和SMO2的相關研究發現：O2供應是乳酸產生的關鍵因素[42]。乳酸產生取決于運動時的O2供應，并由于O2供應不足而增加[43]。在恒定負荷和遞增負荷運動的情況下，BLA濃度與SMO2呈負相關關系[44]。SMO2的“拐點”與“乳酸拐點”相一致，利用SMO2的變化可以確定最大穩態運動強度[45]。在高強度運動時，BLA濃度快速增加是促進HbO2解離的主要原因[46]。運動后SMO2迅速恢復，為肌組織償還氧債提供足夠O2，同時促進BLA的氧化利用和代謝廢物的清除，為機體的能量恢復、氧化代謝和疲勞消除提供重要保障。但是，也有研究持不同觀點，認為肌乳酸的外流和BLA的清除與細胞內氧氣無關[47]。本研究結果顯示，高強間歇運動后恢復期BLA與SMO2恢復的時相性特征存在較大差異。BLA在運動結束后繼續累積，經過3～5 min達到峰值，然后進入乳酸清除階段，致使在不同恢復時相上BLA與SMO2數據沒有統計學相關關系，原因可能與恢復期BLA所特有的“延遲反應”有關。BLA的延遲反應主要是肌乳酸的擴散引起的，運動時肌肉中大量生成肌乳酸，BLA濃度的升高主要來自肌乳酸的擴散。由于肌細胞膜有阻止乳酸轉運的作用，肌乳酸和BLA平衡需要一定時間，平衡時間的長短與運動強度和運動持續時間高度相關[48]，運動強度越大，BLA值越高，BLA到達峰值的時間就越晚，大約持續5～12min[9]。因此運動時和運動后的BLA變化，是骨骼肌等組織中乳酸生成速率、肌乳酸進入血液的速率和血液中乳酸消失速率間平衡的表現[49]，BLA通過各種途徑進行清除的時間較長[50]。結果顯示，高強間歇運動后恢復期內呈現出SMO2快速上升1 min后出現“超量恢復”并維持到20 min，BLA也上升并在3 min左右達到峰值，隨后BLA緩慢下降，這是BLA典型的“延遲反應”在本研究中的具體表現。也因而造成了統計學上在高強間歇運動后恢復期(20 min)內，BLA清除和SMO2恢復率總體關系不密切。但是，顯示，正是由于運動后恢復期1 min之后SMO2維持在“超量恢復”水平，才促進了BLA的逐漸下降，說明 SMO2的快速恢復能夠有效促進BLA的清除。

SMO2含量變化主要反映的是局部肌肉氧利用的情況[40]，因而，運動中和運動后SMO2含量的變化可以反映局部肌肉氧利用的能力。定量運動中SMO2含量下降小，運動后SMO2含量恢復快，說明局部肌肉氧利用能力好。HR的變化主要反映的是有機體整體氧運輸的情況[40]。定量運動中心率上升幅度小，運動后恢復速率快，說明有機體氧運輸能力強。SMO2與HR的變化關系可以理解為局部肌肉氧的需求與有機體整體氧供應之間的關系。BLA是運動中無氧糖酵解供能的代謝產物，BLA消除的基本途徑有三條，一是在骨骼肌、心肌等組織內氧化成二氧化碳和水；二是在肝和骨骼肌內重新合成葡萄糖和糖原；三是在肝內合成脂肪、丙氨酸等。BLA消除的快慢主要取決于機體整體有氧代謝能力，既取決于局部肌肉氧利用能力，又取決于有機體氧運輸的能力。

本研究結果顯示，高強間歇運動后反映局部肌肉氧利用能力的SMO2恢復最快，反映有機體整體氧運輸能力HR恢復次之，運動中無氧糖酵解供能的代謝產物BLA的恢復最慢。

4 結論

綜上不難發現，高強間歇運動后，SMO2、HR和BLA各自的恢復速率存在較大差異，SMO2恢復速率最快，HR次之，BLA最慢，提示高強間歇運動后各機能系統的恢復存在著異時性特征。SMO2、HR和BLA恢復速率的快慢反映的是有機體整體有氧能力的各個方面，它們之間相互影響，相互促進。