近红外光谱技术在运动训练中应用现状

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1、近红外光谱技术在运动训练中应用现状摘要：长期以来，运动训练中的很多指标的测量方法程序复杂且对人体造成损伤，近红外光谱技术(Near-infraredspectroscopy,NIRS)的出现可实现对很多重要指标的无损及时检测，其小巧、易操作，可提高检测的效率和准确性并能为运动训练提供更多有效的理论数据。本文对NIRS的作用、应用领域、研究成果进行综述，并阐明其在运动训练领域的应用前景。关键词：近红外光谱技术；肌氧含量；乳酸阈；血糖近红外光谱区是一种电磁波，它介于可见光区(VIS)和中红外(MIR)区之间，它属于分子振动光谱的

2、倍频和合频吸收光谱。根据美国试验和材料协会(ASTM)规定，其波长在700nm到2500nm之间，主要是含氢基团(0-H,C-H,N-H)的吸收［1］。在最初红外光谱分析的利用上，大部分集中在对中红外光谱区信息的分析与利用上，近红外光谱区的信息的利用性一直不被大多数专家所看好，因此近红外光谱区也得名'‘被遗忘的谱区”［2,3］。20世纪初，运用摄谱技术，科学家获取了有机化合物的近红外光谱，同时分析了有关基因的光谱特征，这意味着在将来的不久，近红外光谱测定术会作为一种新的分析技术广泛应用。20世纪50年代中期，Kaye首先研制

3、出投射式近红外光谱仪［4,5］,随着近红外光谱技术的日趋成熟，被应用于各个领域的研究。FransJobsis在1977年率先提出并证实了利用近红外光谱技术测定活组织中氧供给与氧利用的可行性，接下来通过科学家们的努力研究，证实了其在运动中测试肌氧水平具有良好的可靠性与有效性，因此近红外光谱技术在运动训练的应用研究得以广泛开展［6］。NIRS可以对局部肌肉中氧合血红蛋白（Hb02）、血红蛋白（Hb）、还原血红蛋白（HHb）和总血红蛋白（tHb）、血糖浓度以及血流量（BV）的变化，局部肌氧含量，乳酸阈值，血糖等重要指标进行实时监测

4、，指导训练监控的实施。1、近红外光谱技术对肌氧含量的无损测量肌氧含量主要指肌组织中的毛细血管，静脉，动脉中肌红蛋白氧含量的总体效应和氧供、氧耗的动态平衡。临床检测血氧含量有多种方法，常用的方法过程繁琐且不能很准确反映身体局部组织的氧合情况。很多年来，科学家们一直在寻找一种方法能直接、准确的反映身体组织的供氧状况，这些方法有搏动式血氧计、无创经皮氧分压测定、血气分析、颈静脉血氧饱和度测定等，1977年，科学家们在对脑组织氧代谢研究中，Jobsis首先引进了近红外光谱术。30年来，近红外光谱技术在局部组织氧含量的研究和应用领域中

5、起着越来越重要的作用，它较其他方法更加安全可靠并且可以做到连续无创［7-10］。因为生物组织对近红外光具有散射和吸收的特性，利用光在组织中的效应来获取信息，这是近红外光谱技术测定氧含量的基本原理。不同成分组织对光的散射和吸收不同：对于近红外光谱区(600nm-1300nm),生物组织为典型的混沌介质，而在波长700nm-900nm区间，吸收系数远大于水的吸收系数，因此可认为只存在HbO2和Hb这两种吸收体。而同时Hb02和Hb的吸收光谱段有明显的差别，在805nm之前Hb吸收的光谱段大于Hb02,805nm之后则相反，而在8

6、05nm左右，Hb和HbO2的消光系数相同。根据HbO2和Hb消光系数的差别,组织氧合状况可以用双波长分光光度法测定，但是不能同时测得组织中色团浓度的绝对值，因此它反映的只是定性而不是量化的氧含量值。也有研究者提出采用肌氧含量的相对有效下降值(Deff)来评定运动肌的氧化代谢能力［11,12］。2、近红外光谱技术对乳酸阈值的无损测量2.1乳酸阈的概念在渐增负荷运动中，血乳酸浓度随运动负荷的递增而增加，当运动强度达到某一负荷时，血乳酸出现急剧增加的那一点(乳酸拐点)称为'‘乳酸阈”［13］。近年来多数专家经过不断研究认为，运动

7、员的有氧竞技能力的提高不完全是最大摄氧量增长的结果，相比之下，乳酸阈(Lactatethreshold,LT)更能反映运动员的有氧工作能能力。可以说乳酸阈指标直接反映出运动员的集体水平和运动能力，对教练员制定合理的训练计划有重要的意义。2.2NIRS对乳酸阈的测定传统的测试方法有在实验室条件下渐增负荷运动试验，通过连续测得血乳酸浓度的变化来确定乳酸阈，或通过测得运动中呼出气体参数的变化无损伤测定乳酸阈。这些方法具有有损伤，不准确的特点。随着运动强度逐渐增大，近红外光谱术测量的肌氧含量发生非线性变化的拐点可用于评价无氧阈［14

8、］。根据HbO2与Hb对不同波长光谱吸收率不同,NIRS可以实现无损监测局部骨骼肌中的HbO2与Hb相对变化。尤其是HbO2与运动中局部骨骼肌的能量代谢关系密切:Hb02的离解与局部骨骼肌氧消耗密切相关，与此同时血乳酸(LA)的生成与糖酵解关系密切，而氧的供给与糖酵解连同三竣酸循环息息相关