血流受限情况下的步行训练使优秀残奥短跑运动员的双侧肌肉力量对称性和成绩得到改善：案例研究

字号设置：[ 大 中 小 ] 来源： 残疾人体育信息202112期 日期：2021.01.27

目的：研究在血流量受到限制（BFR）的情况下，4周的步行训练对脑瘫运动员的肌肉力量、代谢反应、100米和400米跑步成绩的影响。

方法：研究对象是一名精英残奥短跑运动员（20岁，身高176厘米，体重64.8公斤），该运动员患有中度偏瘫型脑瘫(右侧受损)，在4周的BFR训练前后对其进行了4次实验室测试，内容主要包括：1)人体测量，熟悉最大自主收缩(MVC)，并进行增量测试；2)测量MVC；3)400米测试；4)100米测试。BFR步行训练包括4组，每组以最大有氧速度的40%进行5分钟，组间再进行1分钟完全再灌注的被动休息。

结果:训练后，所有测试的用时缩短（100米的成绩提高了1%；400米的成绩提高了10%），同时伴随着有氧能力变量的改变（最大摄氧量（V?O2max）:6%;血乳酸积累（OBLA）：24%）和跑步效率的提高（9-10%）。即使在训练后，先前活跃的肌肉中有较多的乳酸外排，乳酸能量代谢仍然下降(25-27%)。双下肢的MVC不均匀地增加（右腿19%；左腿9%）；降低了肢体间肌肉力量的不对称性。

结论:这些结果表明，对于残奥短跑运动员，BFR训练可同时促进心血管和神经肌肉的适应。

关键词：脑瘫；发力速度（RFD）；乳酸消除能力；跑步效率

一、引言

脑瘫（CP）对运动的影响体现在多个方面，包括痉挛、肌张力障碍、肌肉挛缩、骨畸形、协调性问题、选择性运动控制丧失和肌肉无力等并发症。幸运的是，这些症状可以通过有氧或力量训练项目得到缓解。然而对于旨在提高世界级脑瘫残疾人运动员比赛成绩的教练来说，因为无法逐步增加训练负荷，所以运动员肌肉力量和有氧适应能力的同时提升仍是一个挑战。

研究表明，对于在高负荷和高速度训练方面有困难的人群，低强度的血流限制（BFR）训练作为一种替代方法即使在运动员患有疾病的情况下也可以改善肌肉力量和有氧参数。因此，BFR训练可以促使以提高成绩为目标的脑瘫残奥短跑运动员产生有益的适应，因为由BFR训练引起的有氧适应能力的改善并不会像传统有氧训练计划那样导致力量损失。所以本研究的目的是调查4周的BFR跑步机步行训练对患有脑瘫的残奥短跑运动员的肌肉力量、代谢反应和100米及400米成绩的影响。

二、方法

一名精英级男性残奥运动员（20岁，身高176厘米，体重64.8公斤）参与了这项研究。

他患有中度偏瘫型脑瘫（右侧受损）并伴发癫痫，这是在他7个月大时由家庭事故造成的头部创伤所致。他拥有5年的100米、200米和400米训练经验，还有1年的“传统”阻力训练经验，是他所属级别(T37)的200米和100米全国纪录保持者。参与者了解所有的方法流程，并出具了书面知情同意书。当地机构的道德委员会批准了本研究（参考编号:209-705）。为了避免停训效应和对结果产生任何影响，力量和体能训练的负荷量及大小保持不变，在干预期间仅增加BFR训练。受试者按照要求保持相同的饮食，研究人员通过其个人报告进行检查，以确认饮食计划和营养补剂的使用没有发生变化。

在训练计划前后，运动员四次来到实验室，测试内容包括:1)人体测量，熟悉最大肌力测试及增量测试；2)测量最大肌力和发力速度(RFD)；3)400米的成绩；4)100米的成绩。所有环节都在一天的同一时间（±2小时）进行。受试者被告知在实验前需充分休息，并在测试前24小时内避免摄入咖啡因和酒精。研究人员一直给予受试者口头鼓励要其尽最大努力。在增量和跑步测试的整个过程中，受试者佩戴面罩，使用便携式气体分析仪（cosm K4b2,罗马,意大利）测量每一次呼吸的肺摄氧量(V?O2)。此外，在特定的时间点采集毛细血管血样，用酶电极技术(YSI 1500 SPORT，Yellow Springs，俄亥俄州，美国)测定血乳酸浓度(BLC)。

1.数据测量

参与者的体重(kg)、身高(cm)和皮褶厚度(肩胛下、肱三头肌、髂骨、小腿内侧，以mm为单位)被代入到一个特定的方程式中，用以估算来自巴西南部的成年人身体密度。然后用Siri的方程式计算全身体脂。根据琼斯和皮尔森的研究计算两条腿的肌肉和骨骼量。在电动跑步机上进行增量运动测试（Millenium Super Atl, Inbramed, 阿雷格里港,巴西），目的是为了测量最大肺部摄氧量(V?O2max)、最大有氧速度(MAS)和与血乳酸堆积（OBLA）相关的强度。测试从7km/h的速度开始，每三分钟提升1km/h，直到体力耗尽。在所有测试中，跑步机的坡度始终保持在1%。在每个阶段结束时，需要30s的休息时间从未充血的耳垂采集毛细血管血样(25 μL)以测量BLC。测试在运动员耗尽体力时结束，MAS的值是最后一个完全完成阶段的速度加上体力耗尽发生阶段所花费时间的分数乘以1km/h。根据赫克等人的研究，在3.5 mmol/l的固定浓度下，通过线性插值(乳酸与速度)来确定OBLA速度。

四头肌最大等长收缩是在膝关节角度为60度的静态伸展时测定的。在跑步机上以7km/h的速度热身5分钟后，受试者坐在测试椅上(膝关节伸展– Tonus®;巴西圣保罗)，并把髋部和大腿根部牢牢地绑在椅子上。双腿进行两次、每次5秒的最大努力伸展，以确定双侧肌肉的最大自主收缩(MVC)。此后，双腿交替进行两次单侧的5秒最大努力伸展。MVC测量之间休息5分钟。研究人员细心地指导参与者要“尽可能快和有力地”收缩。通过安装在测试椅上的测力传感器(SDS 200kg)来测量MVC。数据采集采用4路采集系统，并采用14位模拟数字转换器，采样率为2000 Hz (Miootol 400, Miotec Biomedical Equipment LTDA)。随后，将信号转换为以牛顿为单位的数值，再乘以杠杆臂的长度，计算力矩(“转矩”)。根据前面描述的程序，由于重力对下肢有影响，需对所有记录的力矩进行校正。在训练前和训练后，座椅、靠背和杠杆臂的位置都是相似的。收缩RFD是由实验中的峰值等长力矩确定的。在收缩开始后以0-30、0-50、0-100和0-200ms为时间间隔，由力矩-时间曲线(?力矩/?时间)的平均斜率推导出RFD。

100米和400米的时间测试是在一个200米长、有平缓弯道的人造室外跑道上进行的。在两次测试之前，运动员要以7.8km/h(60% MAS)的速度热身5分钟，然后进行3次、每次3秒的冲刺练习(中间穿插30秒的慢跑)。之后，要求运动员被动休息5分钟。使用光电池系统记录比赛时间(Speed Test 6.0, Cefise，圣保罗，巴西)。具体到400米的测试中，研究人员会记录前200米和后200米的完成时间，这两部分的总和就是总用时。在休息时和成绩测试开始前一刻，取毛细血样(25μL)。在100米测试后的第1、2、5、7、10分钟收集其他样本。400米测试结束后，在0-10分钟内每间隔1分钟、10-20分钟内每间隔2分钟、25-60分钟内每间隔5分钟采集样品，测定BLC动力学。在恢复早期阶段（10分钟），会持续记录V?O2数值。

2.训练方案

在一个18厘米宽的手动血压计的帮助下，训练方案由12次(4周)的跑步机步行训练组成，受试者需在双侧大腿上部佩戴充气带。第一周，运动员在140毫米汞柱压力下，以5.2km/h(40% MAS)的速度完成4组、每组5分钟的训练(两组训练之间有1分钟的完全再灌注被动休息)。每隔两次，训练增加一组，充气带增加10毫米汞柱的压力。也就是说在训练结束时，跑步者最后一周在170毫米汞柱的压力下完成七组训练。在每次训练前，运动员以7.8km/h(60% MAS)的速度热身5分钟。该方案的作用是提供更大的训练刺激，使受试者对训练强度和/或持续时间以及阻塞压具有更高的耐受性，由此引发对肌肉募集需求的提升。此外，由充气带膨胀和泄气周期(即缺血-再灌注)产生的短暂低量氧和高量氧进入骨骼肌，也可以诱导在氧化代谢和血管生成方面产生额外的训练效应。

3.代谢分析

每项测试中肺部气体交换数据在初始检测时要排除因咳嗽、吞咽、叹气等引起的偶然呼吸。在增量测试中，跑步的能量损耗是通过超出OBLA的每一阶段最后30秒内测得的高于休息时的平均摄氧量来计算，并对这些估计值求平均值。然后，氧气摄入值平均减少15秒，其间获得的更高值被记录为V?O2max。400米跑步测试中的V?O2和恢复期前10分钟的V?O2结合时间数据可分别提供运动和恢复早期的累积肺部总V?O2。对于恢复期的V?O2，使用双指数模型来描述在快速和慢速情况下的肺部V?O2恢复动力学，用以下方程表示:

V?O2（t）=A1e-t /γ1 + A2e-t /γ2 +Rest V?O2

A1是幅度，γ1是肺部V?O2恢复动力学的快速分量时间常数，A2和γ2是慢速分量的幅度和时间常数。休息时V?O2（Rest V?O2）是热身前10分钟被动休息期间的最后3分钟的平均值。肺部V?O2去动力学的快速分量下面的面积由第二个指数项的图解反推法决定。然后把慢速分量从运动后VO2恢复中减掉，使快速分量的结束和代表快速分量的摄氧量得以识别。快速分量代表机体氧气储存的补充和高能量磷酸盐的恢复。

400米测试的血乳酸动力学采用由贝内克等人提出的三参数双指数模型的修改版进行分析。这个二分模型需要休息时的BLC(BLC rest)、运动后即刻的BLC[BLC(0)]和运动后至少45分钟的样本。如果乳酸没有持续从血管腔隙排出，其数值接近运动结束后肌外乳酸浓度的增量(A)。研究还估计了两个速度常数，用来描述乳酸进入和排出血液腔时出现（K1）和消失（K2）两种状态的相应动力学。我们选择使用三参数而不是传统的四参数模型，因为在采血时间相对较短的情况下，它提供了乳酸从血液腔中消除的更真实的参数估计。

BLC (t)= (BLC(0) – BLC rest) (e-K2t )+  (e-K1t-e-K2t )+ BLC rest

根据马切耶夫斯基等人的研究，推导出第四个参数来计算运动结束时的净乳酸释放速率[NLRR(0)]和恢复过程中释放到血液中的乳酸净量(NALR)。这种方法可以测量运动结束时肌肉中的乳酸量(Qm)和运动期间释放到血液腔中的乳酸量(Qs)。在计算400米跑步过程中积累的乳酸量时，假设当总乳酸分布容积占到体重60%的情况下，主要幅度的范围在细胞内和细胞外达到平衡。

使用运动期间累积的VO2、VO2去动力学的快速分量（校正了高能量磷酸盐分解而不是恢复）和BLC的净增长来计算每个系统的能量供应和短跑的能量损耗。为了使测量单位标准化，需使用血液中乳酸积累的能量当量先将BLC转换为氧当量。

三、结果

除了MVC，本研究中分析的所有变量均显示在表1中。随着身体脂肪含量的减少，体重可能会有轻微的下降。从皮褶预测和双腿肌肉及骨骼的总重来看，训练不太可能改变去脂体重（LBM）。然而对下肢进行分析显示，参与训练的下肢肌肉量增加(4.6%)，而另一条腿的肌肉量略有减少(-2.5%) (尚不清楚原因)。主要的变化部位是大腿肌肉。训练后，所有的成绩变量都有所提高，同时所有有氧参数和跑步效率也得到提升，恢复早期的VO2提高了15%（训练前：8.3升；训练后：9.6升）。相比之下，乳酸能量代谢降低，即使在BFR训练后有更多的乳酸从之前的活跃肌肉中排出(图1)。

表1    脑瘫残奥短跑运动员经过4周的血流限制训练在比赛成绩、人体测量、力量和代谢方面的变化

星号※表示参与训练的肢体。BLC：血乳酸浓度；Cr：跑步能量消耗；Cs：冲刺的能量消耗；QLaA：乳酸积累总量；Qm：运动结束时肌肉中的乳酸含量；Qs：运动时释放到血液腔的乳酸量；MAS：最大有氧速度；NALR：恢复过程中释放到血液中的净乳酸量；NLRR(0)：恢复初期的净乳酸释放速率；OBLA：血乳酸积累；V?O2:肺摄氧量；△BLC：净BLC累积。

图1    训练前到训练后的冲刺恢复期间血乳酸反应的变化

左侧两个图显示净乳酸释放速率(上图)和400米后的净乳酸释放量(下图)。右侧两图描述了400米后的乳酸动力学的适应(上图)和100米后的血乳酸值(下图)。需注意的是，在血流限制训练后，尽管乳酸外排较高，糖酵解代谢却有所降低。

在MVC阶段，训练前后右腿的峰值扭矩从180N·m增加到214Nm（19%），左腿的峰值扭矩从263Nm增加到286 Nm（9%），双腿的峰值扭矩从281Nm增加到355 Nm (26%)。

如表1所示，收缩性的发力速度(RFD)是在双腿进行最大等长收缩时以0-30、0-50、0-100和0-200 ms为间隔测得。左右腿在训练前后的RFD早期(0-30、0-50 ms)和晚期(0-100、0-200 ms)百分比变化如图2所示。训练后RFD的改善程度是左腿在早期较高，而右腿在后期较高。

图2    训练前和训练后RFD的百分比变化

图2显示，从双侧下肢最大等长收缩开始的0-30、0-50、0-100和0-200毫秒的时间间隔中，训练前和训练后RFD的百分比变化。需注意的是，左腿早期的RFD较高，右腿后期的RFD较高。

四、讨论

经过四周的BFR训练，脑瘫残奥短跑选手的400米成绩有所改善。观察到的效果量(10%)说明训练是有意义的。然而，尽管100米成绩提高1%对短跑运动员来说也是很重要的进步，但使用单一的前后测对比再加上较低的效果量导致无法进行推断。因此，很难断定100米成绩的提高是真实的还是典型测试期间变化的结果。

本研究要求受试者在跑步测试中保持相同的比赛策略。然而，400米测试前后的情况有很大不同，因为第二次测试的节奏比较均匀。虽然不能忽视采用了更保守节奏策略的可能性，但这可以在一定程度上解释为代谢能量系统对BFR训练的适应性反应。例如，第二个200米测试中成绩提高了10秒，这与有氧贡献提升6-8%相一致。有研究显示，最大限度运动中瞬时能量系统的贡献为有氧贡献的临界点时间不超过30秒。另一方面，整体的糖酵解活性下降了25-27%，这可能与前200米的比赛时间慢了2.4s有关。重要的是，400米成绩的整体提高是不太可能通过改变跑步节奏来实现的，因为要想在400米呈现出最佳表现，需要快速而不是缓慢的起跑策略。

所有成绩测试后的血乳酸浓度证明BFR训练对糖酵解代谢有负面影响。100米测试中，训练后的?BLC比训练前的值低3mmol/L。然而，尽管糖酵解代谢受阻，但是100米的成绩没有变化甚至略有改善，这可能是跑步效率和肌力提高的结果。根据BLC动力学，在400米测试中，?BLC和期间产生的乳酸总量有所下降。然而，尽管在训练结束时，血管内和血管外腔体的乳酸含量较低，但恢复期刚开始的净乳酸释放率比训练结束时高出约50%。这导致恢复期释放到血液中的净乳酸量比训练前略高。当释放的量与乳酸的总产量(即27%VS19%)进行比较时，这种变化被放大。根据其他人的研究，BFR训练后微血管过滤能力和毛细血管密度增加，这些研究可以解释本研究中的结果。而且这一结果可能表明，与通常有氧适应训练中观察到的数据相比，肌肉组织中乳酸转运蛋白的数量有所增加。值得注意的是，在BFR训练后糖酵解代谢降低不是因为400米中有更多的丙酮酸氧化。假设每毫升氧气消耗大约0.014mmol乳酸，观察到的累积VO2差值仅能消除训练前后产生的总乳酸差值的1%。

前面讨论的代谢适应性在增量测试、MVC和人体测量的结果中得到证实。V?O2max数值的增加强调了有氧能力的提高，同时在400米测试中，跑步效率提高9%与能量消耗增加10%相一致，尽管平均代谢率接近，但是该短跑选手仍然跑出了一个非常优秀的平均速度。另外，MAS和OBLA都取决于这两个方面，经过训练后，MAS和OBLA的表现同样优秀。研究显示，在腔压(chamber pressure)为50mmHg的4周仰卧单腿自行车训练（腿部血流减少16%）后，参与氧化代谢的肌肉酶活性和毛细血管密度都有所增加。肌肉力量的增加也对跑步效率的提高有所助益。在增量测试中，在室外跑道上跑步所消耗的能量大约比在跑步机上跑步所消耗的能量多出7-9%（即使坡度为1%）。在400米测试中，要求这位运动员紧贴着跑道转过弯道。为了克服以下两种情况，需要消耗更多的能量：1)开始时在静止位置产生的惯性；2)随着速度的提高而产生的更大的空气阻力。早期更高的RFD对肌肉和骨骼量没有影响，这表明左腿肌肉的神经驱动或内在肌肉收缩增强，导致肌肉力量的增加。然而，RFD和肌肉加骨量的改善表明，右腿力量的双重提升也可归因于大腿肌肉过度增大，最近在其他人的研究中，经过短期BFR“有氧”训练，出现过这种情况。RFD提升的幅度在早期和后期阶段的差异也支持了这一观点(图2)。

综上所述，由BFR训练引发的特定适应性表明，对于残奥会100米、200米和400米选手来说，这种训练可以成为赛季前训练期的一个提升成绩的好方法。成绩的提高主要通过以下几个方面实现：1）增强了供氧能力，这对于在400米比赛的后半程维持速度非常重要；2）力量相关变量的提高和两腿之间差异的减小提高了跑步效率。此外，BFR训练可以增加活跃肌肉释放乳酸的能力，这对于依赖糖酵解代谢的表现极为有益。对旨在提升比赛期间无氧能力的后续专项训练来说，所有这些在准备阶段的适应性训练非常重要。

重点小结

血流限制训练可以提高残奥短跑运动员的400米成绩。

血流限制训练可以同时提升力量和有氧参数。

血流限制训练后，乳酸能量代谢降低。

血流限制训练使残奥短跑运动员双侧力量的均衡性得到提升。

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