NIRS技術在運動訓練監控中的應用

唐承斌　苗梁

中圖分類號：G808? ?文獻標識：A? ? ?文章編號：1009-9328（2022）05-242-02

摘? 要? 本研究的目的在于對近年來NIRS技術在運動訓練監控中的應用現狀進行歸納，總結出其在運動訓練監控中主要應用途徑。本文以NIRS技術的主要應用途徑作為研究對象，采用文獻資料法、邏輯分析法進行探討與分析。通過研究，認為NIRS技術主要應用于評定有/無氧能力、判定疲勞狀態、判定負荷強度、關聯其他生理生化指標。結論：NIRS技術豐富了運動訓練監控時的實時監測手段，為監控提高更切實可靠的科學依據，對調整訓練計劃，提高訓練效果，對運動訓練具有重要的指導意義，但仍存在應用局限性較大，推廣力度較小等問題。

關鍵詞? 運動訓練監控? 肌氧? 近紅外光譜技術? 技術應用

一、前言

如今，體育運動訓練的發展日新月異，體育運動訓練由過去的以教練員與運動員為訓練主體發展為以教練員、科研人員團隊和運動員為主體的多主體化訓練模式，訓練理念也由過去的教練主導、運動員訓練轉變為教練制定、科研團隊設計、運動員參與的新理念。同時，隨著現代科學技術的不斷發展和理論研究的接續深入，多學科知識的融入以及相關物質條件的完善對提高運動員成績的幫助十分顯著。隨著經驗主導訓練的時代漸漸落幕，運動訓練科學理論指導拉開了運動訓練新時代的大幕。教練員與科研人員一道，對指導項目進行科學理論的學習與參考，結合運動員的實際情況，以合理的相關生理指標評估運動員的狀態，制定針對性的訓練計劃，才能使運動員產生符合既定目標的適應性變化，從而發掘出運動員的最大潛能，使運動員獲得理想的運動成績。

隨著學科發展，在臨床和科研中已經廣泛開展了對人體運動時的各種生理指標的監測和對多項監測技術的應用，越來越多的生理指標被研究人員認為可以用于進行運動訓練監控，監控角度逐漸出現精細分類，開始從生理學、生物力學、解剖學、心理學等學科角度出發，并著重于從心率、血乳酸、RPE、肌氧[2]等指標對運動員的訓練過程進行檢測與監控，這些指標在運動訓練過程中的表現能夠清晰地體現運動員的狀態。所以，越來越多的研究者意識到在對運動員開展一般或專項訓練時，要時時關注運動員的身體狀態，尤其要對運動員各項生理指標進行測試與分析，以了解各個訓練階段的訓練收益并及時作出相應的建議及調整改變。在這一發展過程中，能否對所得生理指標進行科學合理的監測、記錄、應用、分析成為運動訓練監控學科的焦點，能否真正融入運動訓練過程本身，也被認為是該學科有效性的印證。

氧作為人體完成正常新陳代謝和維持正常生命運動的重要基礎物質，在體內承載著搭乘血液運輸能源物質等重要作用。在運動訓練過程中，骨骼肌進行收縮時會產生大量的氧耗，從而滿足骨骼肌對于能源物質的需求，以維持運動過程。如果無法維持氧供給，肌肉則會快速產生脫氧現象，從而造成無法維持既定運動強度的情況出現。因此，監測氧供給的情況對進行運動訓練監控至關重要。

肌氧技術作為監測氧供給的現代技術，在國外約有五十年的應用歷史，在國內也有近三十年的發展歷史，得益于在訓練監控中所表現出的便利性與即時性，以及技術本身的連續性、可重復性和對具體指標的敏感性，突破了傳統的有創監測的局限，其獲得了研究人員和教練員、運動員的廣泛支持。

二、運動訓練監控與肌氧技術

（一）運動訓練監控（Monitoring of sport training）

運動訓練監控是指運動訓練過程中，通過記錄、測量、測試等手段獲取運動訓練的反饋信息，以此評價運動訓練安排與運動員現實狀態的關系，進而對訓練計劃進行調整、修改，從而控制訓練過程的活動。

（二）肌氧（SmO2）

肌氧即肌氧飽和度是指局部骨骼肌動脈、靜脈和毛細血管中氧供、氧耗的動態平衡和肌紅蛋白氧含量的總體效應。

1.肌氧測試工具及方式。肌氧測試在國內外的運動實踐中的運用極為普遍，肌氧已經成為了運動訓練監控中生理指標的重要組成部分。目前的肌氧測試工具基本上都是在近紅外光譜（Near infrared spectroscopy，NIRS）技術的基礎上發展而來。在運動訓監控領域，常使用NIRS-sEMG組合應用，來提高監測的準確性。如今也有學者提NIRS-DCS的組合應用。已用于測量肌肉氧合的近紅外肌氧儀有三大類：連續波（Continuous Wave NIRS）、時間分辨（Time Resolved Spectroscopy）或時域（Time Domain NIRS）或飛行時間質譜，以及頻域（Frequency Domain NIRS）強度調制。

測試方式則主要是使用便攜可穿戴式無線肌氧測試（NIRS）儀器，連接控制電腦使用，并通過相關公式得出實際數據。

2.NIRS技術緣起。在NIRS技術廣泛應用于運動訓練監控之前，受物質及理論等方面條件的制約，研究學者、教練員和運動員進行收集血乳酸等生理指標通常會使用有創采集方式進行，這不僅會挫傷受試者參與測試的積極性，同時有創采集的方式有著一定的侵入性、間斷性、滯后性的局限存在，實驗者與受試者均期待一種新技術的到來。二十世紀70年代，NIRS技術主要應用于醫療試驗領域，著重于實驗和如腦氧合觀測。1977年，國外學者Jobsis首次提出使用NIRS技術檢測生物組織的血氧參數，其觀點得到國際上的廣泛認可，并開展了一系列探索。1992年，第一次用于專業（賽艇項目）運動員的監測由Briton Chance開展，圍繞耐力訓練展開，國內各研究機構也開始使用自制的測試工具進行檢測。早期學者曹建民就曾使用肌氧無損監測法對無氧運動和遞增負荷運動測定十名受試者的肌肉氧含量的變化，佐證了研究學者對肌氧技術可靠性的認可。由此起，國內興起了用NIRS技術進行肌氧生理指標的應用。

三、NIRS技術應用

（一）評定有/無氧能力

在實際的運動訓練監控實驗中，NIRS技術主要是與聯合動態性逐級遞增運動測試相結合，常用于動態訓練過程的監控中，主要應用為耐力/力量的訓練，尤多見于逐級遞增功率自行車的負荷測試，根據受試者在測試過程中對應的主動肌群肌氧含量的變化、檢測其脫氧與復氧狀態來評定實驗對象有/無氧能力的工作能力。

根據所梳理的相關文獻資料，發現使用NIRS技術進行肌氧檢測的實驗主要是通過測定骨骼肌內肌氧飽和度的變化狀態：運動實驗過程中，骨骼肌內的肌氧飽和度呈現先升高后回落的趨勢。結合“無氧閾”概念，肌氧拐點與前者的閾值拐點一致，進而可評定受試者的有/無氧能力，這與早期學者的預測一致，但由于其是多為實驗室測試方法所得的數據，雖然與運動場測試方法有著一定的等同性，但更大程度上所得數據多表現的是局部能力，而不是整體能力，且易受NIRS測試儀器綁帶顏色、信號干擾、個體差異（訓練基礎）等因素的不利影響。

（二）判定疲勞狀態

傳統的肌肉疲勞判定方法具有間斷性、滯后性的局限，但判定運動中的肌肉疲勞狀態對防止運動員出現傷病風險增加、出現過度訓練等情況，從而進行有效訓練，達到理想的訓練效果至關重要。NIRS技術在應用的初期，李秀榮等就預測該技術在應用于監測運動員負荷與疲勞關系方面具有一定的前景，值得后來研究者的探索。隨著研究的深入，NIRS儀器步入商業化，單/多通道儀器不斷出現，為研究者們科研活動的展開提供了物質與理論條件。后來的學者們通過研究證實，通過該技術對肌氧狀態進行監測，能夠明顯地觀測到運動時氧供給與消耗產生失衡（運動中肌肉產生“缺血”會影響氧氣的供給），從而導致肌肉疲勞造成肌肉工作能力下降，從而造成不再能維持既定訓練目標的現象。同時，在Halson的研究中指出，適宜的訓練監控是必要的，且運動員的疲勞狀態是多因素導致的，通過運動中肌氧含量的非常態變化判定疲勞狀態，可以最大限度地減少運動員的疲勞、損傷，從而更有效地達到訓練目的。

（三）判定負荷強度

沒有負荷就沒有訓練，運動負荷是訓練活動的重要組成部分。近些年來，有學者提出心率在監測負荷強度時有著一定的局限性，不利于精準確定負荷強度。通過穿戴肌氧監測儀進行的實驗結果顯示，在肌肉收縮和放松期間，肌氧含量有顯著性差異，主動肌群的肌氧含量變化對負荷強度的敏感性較高，高強度的負荷會造成肌氧含量變化的速度加快，幅度增大，通過NIRS檢測儀器能清晰地表現出來。Vasquez Bonilla Aldo A在其研究中提出，在運動訓練監控過程中，負荷強度可以通過肌氧含量的變化情況而連續、動態地表現出來。在運動實驗過程中，隨著負荷的遞增，全身血液循環加速，這是由于參與運動的骨骼肌需要大量血液維持運動過程，心輸出量增加。隨著負荷強度不斷升高，骨骼肌需要更多的供氧，肌氧飽和度則不斷增高，但由于攝氧量和供氧量具有一定的上限，當氧供不足時，就會產生缺氧現象，肌氧含量開始極速下降，出現對應肌群脫氧現象，到一定負荷時，肌氧下降速率趨緩，休息時肌氧又不斷回升，產生復氧現象。這一結果表明在不同的負荷強度下，肌氧含量的變化具有規律性，與負荷強度高度相關。

四、結語

肌氧技術的出現豐富了運動訓練監控時的實時監測手段，克服了以往傳統監測方式的種種弊端，尤其是其無創的便利使得肌氧技術具有光明的應用前景，同時也使得運動訓練監控的“監”更具時效性和可靠性，為“控”提供切實可靠的科學依據，從而在進行“控”時候有著更高的可行性（尤其是肌電與肌氧的結合運用）。

遺憾的是，國內對肌氧技術的應用領域較國外狹窄，尤其是多見于賽艇和中長跑項目中，且多從實驗室數據監測的角度出發，并與功率自行車結合較多，用以測試某一訓練方式/方法的有效程度，表現出明顯的局限性。

同時，國內肌氧技術的監測目標人群多具有專業運動背景，而針對社會大眾的監測較少，雖然在一些日常設備（如健身手環、健身APP）上有所應用，但大眾對此技術的了解較為匱乏，監測作用微乎其微，其推廣程度還有待提高。

參考文獻：

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