高强度运动前后的人体下肢电阻抗特性变化分析
引言
近年来，随着社会的不断进步与科技的快速发展，人们的生活质量不断提高，人们也越来越注重身体锻炼。但大部分人运动后没有合适、科学的方法对自己的运动功能进行评估，对自己的疲劳程度没有定量的概念。因此，由于过度疲劳导致的疲劳性损伤时有发生。另外，专项运动功能评估是运动员取得优异成绩的重要保障，也是运动员训练选拔的一项重要指标。目前，临床上对于疲劳状态评估的主要方法是血乳酸检测，但该方法有创，操作要求严苛，而且使用环境受限[1]。因此，一种对人体组织功能状态敏感、设备便携、能够快速准确检测的技术对于运动功能及疲劳程度的评估有着重大意义。
生物电阻抗技术是利用生物组织的电阻抗特性及其变化规律与人体生理病理状况密切相关的生物物理基础，通过体表电激励与测量，获取医学信息的检测技术。其测量方式一般是利用体表电极向检测对象施加对人体安全的弱交流电信号，并检测相应的响应电压信号，获取相关的电阻抗信息，从而实现对伤病或生理病理状态的判断[2]。由于该技术具有功能检测、无创无害、操作简单、设备便携等突出特点，有望成为运动功能评估及疲劳程度评估的适宜技术之一[3-5]。
1 测量系统与原理
本实验采用的阻抗快速检测实验系统可以完成对下肢电阻抗的获取、采集、存储分析等功能[6]。系统框图如图1所示，主要包括电流源、检测电路、电极系统等[7]。本系统采用4电极测量方式，测量过程中由电流源向待测目标注入恒定安全电流，并利用检测电路检测待测目标上边界电压的变化。
图1 阻抗快速检测系统整体框图
为了更好地分析组织的阻抗特性，一般利用Cole电路模型研究组织阻抗特性（图2）。由于人体组织的复阻抗特性，通过对人体组织表面施加不同频率的电流激励，并在体表检测不同频率下生物体的边界电压，可以计算出生物体在不同频率下的阻抗信息，即频谱特性。由于不同的组织功能状态呈现出的频谱特性不同，所以利用人体组织电阻抗的频谱特性可以分析组织功能状态[8-10]。
图2 生物电阻抗等效电路电路模型
注：a.细胞的电阻抗特性直观图；b.生组组织等效电路模型。
血液是生物体中电阻率最低的组织之一，当血液在血管中的流动时，血液会与周边组织并联从而影响周边组织的整体电阻抗变化，使得组织的电阻抗在基础阻抗的基础上叠加一个随脉博而周期变化的阻抗信号，阻抗血流图正是利用该特性来检测人体组织血流灌注状况[11-13]。
人体在剧烈运动前后的下肢血流状态和细胞的生理状态是不一样的。由于不同的血流状态呈现出的灌注特性不同，组织细胞不同的生理状态呈现的频谱特性不同，所以可以利用下肢的阻抗特性提供人体下肢血管中供血状态和细胞生理状态的信息。
2 测量方法
2.1 被试者
10位健康成年人，男性，20～23岁（平均年龄为22岁），排除下肢、心脏和肾脏疾病。体重从56 kg到72 kg均匀分布，平均体重66 kg；身高从175 cm到184 cm均匀分布，平均身高179 cm。本研究被试者选择标准参考文献[14]。
2.2 实验方法
用医用酒精擦洗被试者被测部位皮肤，目的是去除皮肤表面皮脂，减小皮肤接触电容。再用生理盐水擦洗皮肤后，按部位贴放电极（Ag/AgCl电极，北京天润阳光YH-1型）[15-17]。如图3所示为电极贴放位置，激励电极贴在人体踝关节上方5 cm小腿内侧处，测量电极正端贴在人体踝关节上方10 cm小腿内侧处，胸部测量公共端电极在剑突正下方3 cm处。在频谱测量模式下，频率范围为1 kHz～1 MHz，可以在 1、2、5、10、20、50、100、200、500 kHz和1 MHz共10个频点间自由切换，激励电流以人体安全标准上限为准，最高不超过2 mA。在阻抗血流测量模式下，工作频率设置为50 kHz，激励电流为2 mA。
图3 电极贴放示意图
2.3 实验程序
所有被试在当天下午5点进餐，晚上7点开始实验。在被试者运动前，先把电极固定在被试者身上，仰卧3 min，其目的是为了把实验前由于其他姿势引起体液快速流动对腿部活动的影响减至最小，另外也是为了使被试者适应实验环境。然后开始进行运动前的测量，被试者采取仰卧位姿势，将电阻抗测量设备的导联线连接到电极后开始测量，在测量期间禁止任何体动。待阻抗数据采集完毕，取下导联线。然后被试者进行一次5 km的跑步训练，此次训练在23 min内完成，每公里配速4.5 min，训练过程中被试者均未补充水分及其他营养。在训练结束5 min后，被试者采用仰卧位，在原来的测试部位上贴放电极，将电阻抗测量设备的导联线连接到电极后开始测量，在测量期间禁止任何体动。待运动后阻抗数据采集完毕，一组实验完成。
3 结果与分析
图4所示是被试者双侧下肢阻抗的频率特征。从图4中可以看出，幅度值在测量频率带（1 kHz～1MHz）内，运动前后均随着激励频率的增加，阻抗值下降，且低频段阻抗值较为稳定，在高频段阻抗值逐渐下降。运动后相对于运动前双侧下肢阻抗值在低频段变化不大，高频段双侧下肢运动后阻抗值下降幅度比运动前大。
图4 人体下肢运动前后频谱对照图
在100 kHz之后，运动后阻抗值比运动前下降幅度如表1所示。从表1可以看到，随着频率的增加，下降幅度越来越大；而且在200 kHz之后，下降幅度均在10%以上。将数据用SPSS进行单因素方差分析，我们发现100 kHz和200 kHz组间差异性不显著，其余各组之间差异明显，且频率越大，下降幅度越大。这一现象的原因是人体在运动后，运动代谢产物主要集中于细胞内，导致细胞内电阻率变化明显。而由于细胞膜对低频电流的阻碍作用，电流从细胞间质流过，所以频谱上低频段阻抗变化不大；高频电流可以较好通过细胞膜，所以在高频段运动前后阻抗有显著变化，且频率越高，电流可以越好地通过细胞膜，从而阻抗变化越显著。
表1 人体双侧下肢运动后高频段阻抗下降幅度表（%）
注：“/”左右侧数据分别为人体左侧和右侧肢体下降幅度。
1 MHz下降幅度1 13/8 21/15 33/29 54/42 2 9/13 12/21 33/33 52/44 3 16/15 22/16 53/19 53/19 4 12/5 16/11 35/14 40/18 5 24/31 33/36 45/37 85/45 6 18/11 22/16 37/24 45/35 7 19/15 23/19 39/34 55/49 8 14/10 20/14 42/35 52/45 9 15/13 27/23 35/33 47/35 10 18/11 22/16 37/2 45/39均值 16±4/13±7 22±6/19±7 39±6/28±8 53±14/34±11被试序号100 kHz下降幅度200 kHz下降幅度500 kHz下降幅度
图5所示为人体下肢运动前后的阻抗血流对照图。从图5中可以看出，运动前人体双侧下肢阻抗血流幅值有着一定的差异，但差异值在较小的范围内。而运动后的双侧肢体阻抗血流幅值相对于运动前均有提高。这可能是因为人体在高强度的运动后，下肢供血量增大导致的。
表2所示是人体下肢运动前后阻抗血流幅值变化表。从表2中可以看出，10名被试者中，9名被试者双侧下肢运动后阻抗血流幅值相对于运动前均有增加。将数据用SPSS进行配对t检验，我们发现左腿运动前后阻抗值有显著性差异（P=0.001）；右腿运动前后也具有显著性差异（P＜0.001）。
图5 人体下肢运动前后阻抗血流对照图
表2 人体下肢运动前后阻抗值表
左侧阻抗值 (mΩ) 右侧阻抗值 (mΩ) 平均相对变化量(%)运动前 运动后 运动前 运动后1 120 130 120 130 8.3 2 120 150 120 140 20.9 3 80 120 80 110 43.8 4 70 100 60 80 38.1 5 80 100 70 100 26.8 6 100 100 100 100 0.0 7 110 120 110 120 9.1 8 100 130 90 120 31.7 9 90 100 100 130 20.6 10 120 140 120 150 20.8被试序号
综上所述，高强度运动前后人体下肢的灌注特性及频谱特性均有相对敏感的变化特征。因而，电阻抗参数可作为一项定量区分组织处于不同生理状态下的重要指标。
4 讨论
人体组织由细胞组成，细胞分为细胞内液电阻、胞外电阻和膜上电容，组织是各个细胞的集合。当人体身体状态、生理条件改变时，组织中不同成分的阻抗特性会发生较大改变[18]。在高强度运动时，下肢由于耗氧增加，下肢供血加快，这样会引起下肢组织细胞的代谢增快，被试者也可明显地感觉到高强度运动后下肢较为疲惫。人体在运动后，运动代谢产物主要集中于细胞内，导致细胞内电阻率变化明显。而由于细胞膜对低频电流的阻碍作用，所以频谱上低频段阻抗变化不大；高频电流可以较好通过细胞膜，所以在高频段运动前后阻抗有显著变化。血液是生物体中电阻率最低的组织之一，高强度运动引起人体下肢供血加快，血液与周边组织并联的阻抗值发生变化，从而影响人体下肢阻抗血流。本研究对人体高强度运动前后的电阻抗特性进行比较，无论灌注特性还是频谱特性均有显著性差异。采用电阻抗测量技术可以对这一变化进行实时监测，有望应用于评估人体下肢组织的疲劳状态及生理变化，这无疑有着非常重要的意义。本研究仅探明了电阻抗测量技术在评估人体下肢疲劳状态的可行性，下一步我们将着力探寻人体下肢阻抗特性变化与疲劳程度之间的具体关系。
通过实验发现，电阻抗测量技术对于人体下肢的细胞状态和供血情况敏感且准确，电阻抗测量技术无创、操作简单，而且可以做到长时间的实时监测。在运动员的运动功能评估及人体疲劳状态检测中，有着巨大的应用前景。
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Analysis of Changes in Electrical Impedance Characteristics of Human Lower Limbs Before and After High-Intensity Exercise