第一届北京国际康复医学论坛论文集用光谱无损检测技术评定骨骼肌代谢功能李岳黄岚腾轶超丁海曙清华大学医学院木引言对骨骼肌代谢功能的无损检测是评定受试者运动功能的一个重要手段。目前，对人体运动功能的评定指标以不同负荷下的摄氧量、心率、血乳酸等为主。摄氧量和心率主要反映了人体总的心肺功能，无法反映局部肌肉组织氧的供求状况。血乳酸指标能够反映人体肌肉组织在不同负荷下的无氧代谢水平和疲劳程度，但这种有损的测量方法往往会造成测试对象的抵触情绪，并且无法做到运动过程中的连续监测。近红外光谱法( N I R S ) 作为一种无创组织氧含量检测技术，近二十年来发展很快。生物组织对光子来说是高散射介质，它对不同波长的光子具有不同的吸收特性，通过测量光在人体组织中传播时的衰减，解算出局部组织中的血氧参数，具有无损、实时、连续监测的特点。我们已将该技术应用于新生儿脑氧监测、体外循环中脑保护、骨骼肌氧代谢功能评定、组织移植后血运监测、药物疗效评定以及临床基础研究等多个领域。在骨骼肌代谢功能评定方面，我们已与北京体育大学、贵州省体育科学研究所和清华大学体育教研组等单位合作，为运动员选材、高原低氧训练效果评定提供了有用的临床数据。这项技术在康复评定方面也有广泛的应用前景。原理人体组织( 如肌肉组织，脑组织) 中含有大量的微血管，包括微动脉、微静脉和毛细血管( 图1 ) 。人体组织的血氧参数就是组织中微动脉血、微静脉血和毛细血管中血液各自血氧参数的加权平均。由于静脉血的流速比动脉血慢，因此微静脉血在组织血氧参数中占有主要地位。例如，在人体脑组织的血氧参数中，微静脉血的权重占6 0 - 8 0 ，微动脉血占1 5 2 0 ，其余为毛细血管中的血液。在近红外波段( 7 0 0 9 0 0 n m ) ，人体组织中H b 和H b O 。的吸收占主要地位，并且二者的吸收谱存在明显的差异。图2 给出了波长6 5 0 1 0 0 0 n m 时H b 和H b O 。的吸收谱，其中纵坐标为消光系数。当波长为7 9 8 n m 时，H b 和t b O 。的消光系数相等，称作等吸收点。我们将两个发光波长选在其两侧，分别为7 6 0 n m 和8 5 0 n m 。+因为近红外光子一般无法穿透厚度2 c m 以上的人体组织，所以在检测时，我们只能将光源与接收器固定于体表同侧( 如图3 ) 。由于人体组织是强散射介质，光子在其中运动时，会受到强烈的+ 李岳、黄岚为清华大学医学院已毕业研究生2 1 9第一届北京国际康复医学论坛论文集散射作用而向各个方向发散。如图3 所示，光源发出的大量光子在组织中传播，其中一小部分被接收器所接收。我们经过蒙特卡罗仿真计算得知，这部分光子的平均传播路径为一条曲线，将大量光子在组织中的传播轨迹相叠加，我们可以发现其经过的主要区域为一个位于光源和接收器下方的“香蕉型”区域。我们检测到的组织血氧参数，也就是该区域内组织中血液的血氧参数平均值。图1人体组织中的微血管结构I 二帅H b 。：I|l 。 八 ；，一，。l _ - 、一，一、一_ ，弋图2w m v o l o n s t h ( n m I波长6 5 0 1 0 0 0 n m 时H b 和H b 0 。的吸收谱装置：我们与合肥安恒光电有限公司共同开发，并获得中华人民共和国医疗器械注册证的T S A H 一1 0 0 型近红外组织血氧参数无损监测仪( 如图4 ) ，其主要检测指标有：氧合血红蛋白浓度变化量 H b 0 。单位：m o l L还原血红蛋白浓度变化量 H b 单位：m o l L局部组织血氧饱和度r S 0 。单位：该仪器采用发光二极管发光，稳定性好。它可以和个人电脑相连，将检测数据上传至电脑中进行保存和进一步分析。第一届北京国际康复医学论坛论文集光舜接收器 ( 双浚长L E D )( P i N 管)图3 大量光子在肌肉组织中的平均传播路径示意图4T S A H i 0 0 型近红外组织血氧参数无损监测仪典型应用：1 4 名志愿者( 青年女子) 参加了运动实验，分为运动员组和对照组，运动员组包括6 名女运动员；对照组包括8 名健康青年女子，年龄2 0 5 2 2 5 岁，身高1 6 9 5 c m ，体重5 7 5k g 。实验在M O N A R K 功率自行车上进行，设定为恒定1 5 0 W 功率负荷，受试者安静1 分钟、热身1 分钟、加载负荷1 5 0 W ，保持转速5 0 周分钟，负荷保持1 5 0 W 至力竭。统计分析受试者运动中肌肉组织血氧饱和度r S 0 ：和血量B V 的变化情况( 即：B V = H b 0 。 + H b ) 。运动员组和对照组血量变化和组织氧饱和度变化过程如图5 和图6 所示，图中时间轴起始于1 5 0 W 负荷加载时刻。受试者在1 5 0 W 负荷运动中的血量变化量和组织氧饱和度变化量如表1 所示。从表1 中可以看到，在相同负荷下，运动员组的血量变化幅度和速度都明显大于对照组，这是由于在长期训练的作用下，运动员肌肉中微循环明显比非运动员发达。这些微血管中的大多数在静息状态下处于关闭状态，当运动过程中逐步开放和扩张，满足肌肉组织的血氧需求。运动员组的r S 0 z 下降幅度明显大于非运动员，这是因为运动员的有氧代谢能力高于非运动员，在运动过程中能够更多地依靠有氧代谢来提供能量。非运动员的r S O 。在运动开始后很快到达其最低点，此时肌肉组2 2 1第一届北京国际康复医学论坛论文集织的有氧代谢速度已经达到最高点，所以r S O z 不再下降，肌肉能量消耗的缺口由无氧代谢进行补充。从上面的实验结果中可以发现，运动员与非运动员骨骼肌的代谢能力存在明显差异。在肌氧代谢的无损检测中，利用N I R S 对肌肉组织血氧参数进行检测，可以将血量变化幅度、速度和组织氧饱和度下降幅度等作为特征指标，评定测试对象的骨骼肌氧代谢能力，用于运动员选材和训练效果的评定。以上实验虽然是对于运动员和非运动员进行的对比，但这种技术和方法也同样适用于对残疾人骨骼肌功能的评估，诸如：肢体残疾程度的评估、康复训练效果的评价和假肢功能评定等方面。 ： 歪1 4 1 2磊1 ：慧6 。! 捌 ：05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 005 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0衢6 0 舅5 5 上5 0 9 6 4 5 e 螂蠢鼗2 5 2 嘴图56 名运动员和8 名非运动员的血量增加过程比较粥05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0猫。5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0t st 8图66 名运动员和8 名非运动员组织氧饱和度下降过程比较表l 运动员与健康对照者在1 5 0 W 运动中，血量B V 变化和r S O 。下降幅度比较2 0 0 6 8 2 ，作者特别说明：本论文只用于本次“康复医学论坛”交流，可以录入非正式发表的论文集，但不可：f ：0 登在正式出版刊物。州麟蝴慨嘲贼慨蝴霎耄鼎烹酃u一噬耨删祟