任文博
（成都体育学院 运动医学与健康学院；四川成都 610000）
0 前言
氧是维持正常的生命活动的基础，在运动过程中发挥着极其重要的作用。肌氧，指肌肉毛细血管中有多少血红蛋白携带了氧气，单位缩写为SmO2。肌氧反应了人体肌肉的内部情况，在运动员的选拔、运动强度的控制以及指导运动恢复中是一个极其重要的生理指标。传统的血气分析要求直接采集人体动脉血，这种方法的缺陷也是非常明显，如不具有实时效应、有创性、容易引起交叉感染、运动员的心理抗拒等。近红外光（Near Infrared，NIR）是介于可见光（VIS）和中红外光（MIR）之间的波长在780～2526nm范围内的电磁波，具有无创性、不消耗化学试剂、不污染环境、实时性等优点。近红外光谱技术（NIRS）是近年来国内外重点关注的一项技术，作为一种新的无创技术，主要用来观察肌肉中含氧血红蛋白（HbO2）和脱氧血红蛋白（HB）的变化，由于其无损、便携、时间分辨率高等优点，近年来在评价心肺功能中得到了越来越广泛的应用[[[] 基于PDA的便携式近红外肌氧检测系统的研制_聂清
]]。
1近红外肌氧检测系统的作用机制
在对人体组织进行测量时，近红外 700nm～900 nm这段区域内，存在一个“光谱窗”。在此近红外光谱波段，绝大部分软组织对光的吸收最小，导致生物组织对光线的吸收作用大大降低，近红外光与组织的相互作用的总衰减中仅有一小部分是由组织的吸收所引起的损耗，剩下的大部分则是由散射所引起的。[[[] Gary Strangman，David A.Boas，Jeffrey P.Sutton，Non-Invasive Neuro imaging Using Near-Infrared Light，BIOL PSYCHIATRY，2002：52：679~693 ]]这种低吸收与组织对光的高强度前向散射作用相结合，使得光在组织中有相当大的探测深度，实现对深层组织的探测研究。这是无创血氧检测方法采用近红外波段的理论依据。[[
[] 基于近红外连续波的无创组织体血氧检测系统_缪辉
]] 近红外光技术（NIRS）主要利用含氧血红蛋白（HbO2）和脱氧血红蛋白（HB）等生色团在近红外区域内（700nm~1000nm）的吸收光谱特性来研究组织中吸收色团浓度的定量测量方法。[[[] Ferrari M, Mottola L, Quaresima V. Principles, techniques, and limitations of near infrared spectroscopy. Can J Appl Physiol, 2004, 29(4):463-487 ]]NIRS 技术无损测量血氧含量的基本机理在于生物组织在近红外波段存在高散射和低吸收的特性使得近红外光对组织的穿透性很好，而含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白在近红外波段的吸收光谱特性有明显差异，而且水对此波段光的吸收作用非常小，从而可以测定透过组织的近红外光强度并通过比尔-朗伯特定律来推算出组织中血容量以及含氧血红蛋白浓度的相对变化。[[
[] 基于RF的近红外无线肌氧检测系统的研制_周娟
]]
2近红外肌氧检测系统在评价心肺功能中的应用现状
人体在由静止状态转为运动状态时，整个呼吸循环系统都会产生一系列的变化以适应运动状态，如心率加快、心输出量增大、呼吸频率加快等，以适应由运动带来的机体需要。与此同时，肌肉中的氧含量和耗氧量也会发生相应的变化，随着运动强度的递增、肌肉中氧合血红蛋白含量也会相应的下降，肌肉组织中的氧被消耗。反之，当人体转为静止状态时，氧的消耗减少，肌氧水平逐渐提升。徐国栋[[[] 肌氧含量的近红外无损监测及其在运动实践中的应用_徐国栋
]]将该系统应用于中长跑运动员在跑台上做等级运动时，发现通气无氧阈与氧合血红蛋白存在高度相关性，这一发现有望为运动员生理技能评价指标提供新的评价方法。而徐月君[[[] 运用近红外肌氧监测系统评估运动强度的可行性探讨_徐月君]]进一步研究更是证实了工作肌耗氧量与传统评估方法（最大摄氧量、最大心率百分比）高度相关，可以辅助现有指标更科学的评价运动强度。在对运动员的相关研究上，近红外光谱技术在游泳训练中也是表现出了一定的可行性与前瞻性。王晨光等[[
[] Running in Hilly Terrain: NIRS is More Accurate to Monitor Intensity than Heart Rate by Born DP, Stöggl T, Swarén M, Björklund G International Journal of Sports Physiology and Performance 2016 Human Kinetics, Inc. ]]通过直接对游泳运动员的研究认为NIRS在肌氧监测、心肺功能评定以及血乳酸测定均能正确反映游泳运动员身体代谢状态，且采用NIRS测量运动员在疲劳状态下的大脑含氧量与运动员的疲劳有密切关系。NIRS技术在与传统测评参数对比上在某些方面甚至展现出了其优势，Dennis-Peter Born等人[[
[] Farzam P, Starkweather Z, Franceschini MA.Validation of a novel wearable, wireless technology to estimate oxygen levels and lactate threshold power in the exercising muscle[J].Physiological Reports,2018,6(7):13664. ]]为17名受试者同时配备了便携呼吸分析仪、心率检测器、GPS和NIRS监测并使17位受试者在含有6级上下坡地带的丘陵地带通过跑步以进行心肺代谢机能研究，结果显示在丘陵地区比赛或训练NIRS比心率能够更精准的反应出心肺机能代谢状况。在递增最大运动中，有学者[[
[] Reliability of NIRS portable device for measuring intercostal muscles oxygenation during exercise Felipe Contreras-Briceño etc.
]]采用NIRS对15名马拉松运动员肋间肌氧合水平进行测量研究且与同时测量分钟通气量、呼吸频率、潮气量，在比较NIRS与通气变量的关系中表明运动中递增的呼吸量可以被NIRS充分记录。还有学者对NIRS运用在内脏的氧饱和度上进行研究，Athanasia Tsaroucha[[[] Measurements of oxygen saturation of brain, liver and heart areas in the supine and sitting position using near infrared spectrophotometry]]等用NIRS对不同体位下大脑、心、肝的局部氧饱和度进行评估，他们发现仰卧位大脑和肝脏rSO2高于坐姿但是心脏功能没有影响。此外，NIRS也可单独评估心脏和肝脏的局部血氧饱和度。综上，使用近红外肌氧检测系统可以客观、可视化、实时且科学的评价运动员及各类人群的心肺功能，对于运动员及各类人群的心肺功能评价具有重要意义。
3结论与展望
综上所述，基于近红外肌氧(NIRS)技术在评价心肺功能有较多的文献支撑，不仅具有一定的信度和效度而且由于其具有无创性、实时性、直观性等特点在对比传统心肺评价方法上甚至具有一定优势，未来应用前景广阔。与此同时，研究样本量过小、性别年龄体质差异是否会对检测结果产生影响以及如何进一步研发更为便携的设备是我们要进一步研究解决的问题。
参考文献
[] 基于PDA的便携式近红外肌氧检测系统的研制_聂清
[] Gary Strangman，David A.Boas，Jeffrey P.Sutton，Non-Invasive Neuro imaging Using Near-Infrared Light，BIOL PSYCHIATRY，2002：52：679~693
[] 基于近红外连续波的无创组织体血氧检测系统_缪辉
[] Ferrari M, Mottola L, Quaresima V. Principles, techniques, and limitations of near infrared spectroscopy. Can J Appl Physiol, 2004, 29(4):463-487
[] 基于RF的近红外无线肌氧检测系统的研制_周娟
[] 肌氧含量的近红外无损监测及其在运动实践中的应用_徐国栋
[] 运用近红外肌氧监测系统评估运动强度的可行性探讨_徐月君
[] Running in Hilly Terrain: NIRS is More Accurate to Monitor Intensity than Heart Rate by Born DP, Stöggl T, Swarén M, Björklund G International Journal of Sports Physiology and Performance 2016 Human Kinetics, Inc.
[] Farzam P, Starkweather Z, Franceschini MA.Validation of a novel wearable, wireless technology to estimate oxygen levels and lactate threshold power in the exercising muscle[J].Physiological Reports,2018,6(7):13664.
[] Reliability of NIRS portable device for measuring intercostal muscles oxygenation during exercise Felipe Contreras-Briceño etc.
[] Measurements of oxygen saturation of brain, liver and heart areas in the supine and sitting position using near infrared spectrophotometry