摘要在人体运动功能评定中，对骨骼肌代谢功能的评定是一个重要方面。运动过程中骨骼肌的能量消耗要靠体内连续供能补充，在一般（非剧烈）运动情况之下，有氧代谢是提供能量的主要形式。用反射式双波长近红外光谱技术可以无损、连续地检测肌肉中氧含量的相对值，这种测试技术的可行性已为核磁共振的同时测定所证实。本文总结出让受试者在功率自行车上做递增负荷实验时，骨骼肌中氧含量、血容积及心率和血乳酸变化的规律。

中图分类号R496文献标识码A文章编号1007－5496(2000)05－0653－03

Using near-infrared Method to assess the aerobic metabolism ability on quadriceps muscle

DING Hai-shu

(Biomedical Engineering Institute,Dept of Electrical Engineering Tsinghua Univ,Beijing 100084,China)

WANG Guang-zhi.

(Biomedical Engineering Institute,Dept of Electrical Engineering Tsinghua Univ,Beijing 100084,China)

Abstract To evaluate the metabolism ability on muscle is very important in the field of the detection of human body movement.The energy consumption on the muscle must be supplied during the movement and the aerobic metabolism is the main way to deliver it.Using the reflecing near infrared spectroscopy technique in two vavelengths,the musclse oxygen relative change can be detected in non-invasion and the availability of this technique is confirmed by the MRS method.In this paper,the muscle oxygenation.blood volume in the muscle,lactate concentration and heart rate of a subject were recorded during graded level load exercise.Typical test shows that the muscle oxygen drop for the normal subject was deeper than the athlete in the same exercise load.If the time of reaching half post exercise recovery peak is depined as half recovery time,then for the older the value of this parameter was longer than the younger.It mean that the muscle oxygen drop and the half recovery time may be the characteristic.parameters to assess the muscle oxidative metabolism in human body movement.Above conclusion may be useful to the rehabilitation assess.

Key words near infrared spectroscopy;muscle oxygen;non-invasive detection;human body movement assess

1引言

氧是维持生命活动的基础，又是人体运动过程中不可缺少的要素。按能量提供的机制，可将运动分为3类，在1－3s全力运动中高能磷酸化合物的分解是获取能量的主要渠道。在10s以上的全力运动中，肌糖糖元通过无氧分解为乳酸，释放能量可支持30s到3min的激烈运动,以上两种产生能量的过程无须直接耗氧但维持时间都不长。对耐力类运动和日常的各种非剧烈活动则都属于有氧代谢的运动，这时，糖、脂肪、蛋白质在氧充分供应情况下分解并释放能量。还要指出，有氧代谢是在细胞内部线粒体内酶的催化之下完成的,实际上，本文中指的肌氧是指肌肉组织中微细的静脉、动脉血管中血液血氧饱和度的总体效应。微血管网有巨大表面积，其中血红蛋白（Hb）与氧结合为合氧血红蛋白（HbO₂）的程度称之为肌氧饱和度（％SaO₂），定义为：％SaO₂=HbO₂浓度/(Hb浓度＋HbO₂浓度)。肌肉组织中氧的产生与消耗实际上是一个动态平衡的过程，一方面动脉毛细血管向细胞供氧，另一方面氧又与营养物结合产生能量，并将血氧饱和度较低的污血输入到静脉，这就是体循环末梢的情况。可以设想，人在静止时，肌肉中有一定含氧量，而一旦进入到特定水平的耐力性运动状态时，肌肉中对氧的需求量就会增加。从而使肌肉含氧的百分比下降，并且运动越激烈，下降就较快较深。运动停止之后，肌氧又会恢复，若恢复得快，说明心血管系统工作得强而有力，以及细胞中能量转化的效力高，也就是有氧代谢能力强。因此，我们可以通过检测在相同负荷之下肌氧下降的深度，以及运动停止之后肌氧恢复的时间来评定个体之间有氧代谢能力的差异。

2检测肌肉组织氧含量的基本原理

组织氧含量的无损检测是在血氧饱和度有损检测的基础上发展起来的，为此先对后者的原理作一介绍^[1]。

2．1血氧饱和度有损检测的基本原理从测试对象中抽取血液为样品，在血液样品中，血红蛋白是对光起吸收作用的主要成分，而合氧血红蛋白（HbO₂）和还原血红蛋白（Hb）又具有不同的吸收谱曲线（图1）。根据朗伯比尔定律，当用特定波长的光穿过一定厚度和一定浓度的溶液时，入射光强与透射光强之间的关系为：I=Ioe^－εcd或D=log^Io/_I=εcd（1），式中I0和I分别表示入射和透过光强；C表示某物质在溶液中之浓度;d表示光穿过溶液的路径长度；ε表示某物质对此特定波长的吸光系数，它由物质的属性和波长的数值两个变数来决定；D称为光密度。显然，若溶液中只有一种物质，其浓度C为未知，则可用分光光度计测出光密度D并计算出浓度C。现在问题是，若在血液中存在两种不同的物质，如HbO₂和Hb，应当如何来确定其浓度呢？这就要用到双波长比尔定律：

D₁=ε₁₁C₁＋ε₁₂C₂D₂=ε₂₁C₁＋ε₂₂C₂(2)

其中D_i为波长λi的光通过溶液时测得的光密度；C_j为j物质的浓度；εij为物质j对波长i的吸收系数。从上述两式的联立求解即可得到C₁和C₂。若令C₁=C_HbO2C₂=C_Hb并将ε_ij写为ε₁₁=ελ₁HbO₂、ε₁₂=ελ₁Hb、ε₂₁=ελ₂HbO₂，ε₂₂=ελ₂Hb，经过计算则有：

在上式中若确定了波长λ₁、λ₂的数值则诸ε之值可通过查表获得，D₁、D₂可以从光强检测及光穿过溶液路径d得到，从（2）式中还可以计算出C₁＋C₂的值，称为血容量。

图1血红蛋白(Hb)和合氧血红蛋白(HbO₂)的吸收谱曲线

2．2 肌肉组织氧饱和度的无损检测这是90年代发展起来的高新技术。美国科学院院士，宾夕法尼亚大学医学院的Britton Chance教授率先推出了这方面的技术和产品，并于1994年和1995年两次来华讲学，在清华大学、华中理工大学等单位推广其应用。本仪器亦以双波长比尔定律为基础，但又具有以下特点：(1)探头贴放在体表待测部位，发射的白光光源和两个具有不同波长滤色片的接收器都放在探头上(图2b)，发射光透过皮层进入肌肉组织，由于肌肉组织的强散射特性，其中总有一小部分光携带吸收谱的信息沿着香蕉状的轨迹进入到接收器(图2a)。(2)两滤色片透过的波长选在等吸收点（805nm）的两侧，分别为760nm和850nm。只要我们知道光子行进的平均路径长度，就可以从（2）和（3）式中求得肌氧饱和度以及血容量。在仪器软件编制时，光子路径长度是由光源到接收器的距离，乘上一个大于1的因子得到的。这个因子可由仿真计算或毫微秒测试技术得到。无损肌氧检测计的品牌名为Runman，由美国NIM公式生产，Chance教授研制，其示意图见图3。

图2(a)无损肌氧检测传感器；(b)光子路径光源与接收器

图3无损肌氧检测计

3递增负荷条件下肌肉代谢功能的综合测试和分析^[2]

图4给出了一名优秀游泳运动员，在做登功率自行车递增负荷运动时，肌氧、血容量、心率和血乳酸变化的曲线。检测肌氧和肌肉血容量的光电传感器置于大腿股四头肌上。运动负荷从50W开始，以级差50W往上递增，每级维持3min，总共进行12min，达到200W结束。其中血乳酸浓度单位以mmol/L表示，肌氧和血容量则以光密度的变化量表示（设运动开始时为光密度的零点）。从实验曲线中可以得到以下结论：(1)随着运动负荷的增加，不仅引起全身的血液循加快（心率上升），而且股四头肌处血液供应越来越充足（也就是从心输出血流的分配来说，运动肌得到血的比率大大增加），即血容量上升。(2)随着负荷阶梯增加，肌<