BOM-L1TR近红外组织血氧仪在监测二氧化碳足浴下骨骼肌氧合变化中的应用

同志社大学的Miho Yoshimura研究团队在期刊PeerJ上发表了题为“Application of carbon dioxide to the skin and muscle oxygenation of human lower-limb muscle sites during cold water immersion" 的研究文献，该研究旨在探究人工二氧化碳冷水浸泡（CCWI）对人体下肢肌肉皮肤氧合、肌肉氧合以及浸泡皮肤温度的影响，试图解决冷疗引发动静脉毛细血管血管收缩的弊端，验证二氧化碳能否抵消低温刺激带来的血管收缩效应。

摘要

背景：冷疗存在引发动静脉毛细血管血管收缩的弊端，二氧化碳热水的作用主要体现在皮肤血管舒张和肌肉血管舒张两方面。本研究探究了人工二氧化碳冷水浸泡对皮肤氧合、肌肉氧合以及浸泡皮肤温度的影响。

研究对象与方法：15名健康年轻男性，利用微气泡装置制备出二氧化碳浓度高于1150ppm的富二氧化碳水，将受试者单腿浸入20℃的富二氧化碳水中至膝盖处，持续15分钟，随后设置20分钟恢复期；以受试者单腿浸入20℃的普通冷水作为对照实验。实验全程监测受试者水下小腿皮肤温度以及浸泡侧和非浸泡侧小腿的热感觉，同时利用近红外光谱法，测定静息状态下胫骨前肌和腓肠肌两个区域与基础值相比的局部肌肉氧合/脱氧合相对变化，该指标可反映肌肉血流量，此外还测定了组织氧饱和度。

结果：与普通冷水浸泡相比，二氧化碳冷水浸泡下胫骨前肌的氧合血红蛋白+肌红蛋白和总血红蛋白+肌红蛋白水平升高，且在恢复期维持稳定状态；腓肠肌的总血红蛋白+肌红蛋白和脱氧合血红蛋白+肌红蛋白水平在二氧化碳冷水浸泡过程中升高。值得注意的是，两种肌肉的组织氧饱和度在二氧化碳冷水浸泡时均显著高于普通冷水浸泡。此外，与普通冷水浸泡相比，二氧化碳冷水浸泡后浸泡侧小腿的皮肤温度显著降低，且该降低状态持续至20分钟恢复期结束。

讨论：二氧化碳与冷水的结合，能在恢复期进一步增加肌肉的血液流入量，并引发脱氧合血红蛋白+肌红蛋白的体积相关（总血红素浓度）变化。二氧化碳冷水浸泡下的水下小腿皮肤温度低于普通冷水浸泡，这一现象与二氧化碳引发的血管舒张作用相关。

实验材料与仪器

实验材料

1. 实验对象：15名健康年轻男性（年龄23.1±0.4岁，体重61.4±1.8kg，身高171±1.4cm，身体质量指数20.8±0.5，体脂率15.7±1.1%），无心血管异常和皮肤损伤；

2. 实验用水：浓度＞1150ppm的富二氧化碳水、普通自来水，均维持20℃恒温；

3. 二氧化碳相关：74g小型二氧化碳气罐，用于制备富二氧化碳水。

实验仪器

双室/双涡旋高速旋转系统、等温冷却系统、电子体温计、商用热敏电阻、自动张力计、

超声设备、OmegaWave BOM-L1TR近红外组织血氧仪。

实验环境：气候室，维持环境温度25.0±0.5℃、相对湿度55±3%；47L水容器，用于腿部浸泡。

OmegaWave BOM-L1TR近红外组织血氧仪

实验过程

本研究为对照实验，采用双盲设计，所有实验均在同一时间的气候室内进行，具体流程如下：

1. 静息准备：受试者进入气候室后，静坐10分钟作为静息阶段，测定各项基础生理指标，包括核心温度、皮肤温度、血压、心率、肌肉氧合基础值等。

2. 浸泡处理：将受试者右腿浸入47L水容器中至膝盖处，分为两组处理：一组为二氧化碳冷水浸泡（CCWI），使用浓度1150ppm的20℃富二氧化碳水；另一组为普通冷水浸泡（CWI），使用20℃普通自来水，浸泡时长均为15分钟。

3. 恢复期监测：浸泡结束后，受试者将腿移出水面，进入20分钟恢复期，持续监测各项生理指标。

4. 指标测定频率

皮肤温度、肌肉氧合相关指标：使用OmegaWave BOM-L1TR近红外组织血氧仪

每3分钟取30秒平均值，监测浸泡期（3、6、12、15分钟）和恢复期（3、6、12、15、18分钟）；

胫骨前肌中氧合、脱氧及总血红蛋白的动态变化。

胫骨前肌（TA）浅层（A–C）与肌肉层（D–F）内，相对于基线水平的氧合血红蛋白 + 肌红蛋白（oxy [Hb+Mb]）、脱氧血红蛋白 + 肌红蛋白（Deoxy [Hb+Mb]）以及 ** 总血红蛋白（total [Hb+Mb]）** 的动态变化。

与基线相比的时间效应：*p < 0.05，**p < 0.01（相较于 BL）简单主效应：†p < 0.05，††p < 0.01（同一时间点 CCWI 与 CWI 组间比较）

心血管指标（血压、心率、平均动脉压）、温度、热感觉：每5分钟取30秒平均值，监测静息基线、浸泡期（5、10、15分钟）和恢复期（5、10、15、20分钟）；

热感觉采用7分制评分量表，仅记录-3至0区间的冷觉相关评分。

5. 数据处理：利用SPSS软件进行统计分析，采用双因素方差分析比较水条件（CCWI、CWI）和时间阶段的差异，差异后进行Bonferroni事后检验，Dunnett检验用于与基线的多重比较，明显性水平设为5%；样本量检验采用PS Power and Sample Size Calculations，确保实验检验效能为0.941。

结论

1. 二氧化碳冷水浸泡（CCWI）能在胫骨前肌和腓肠肌引发更强的血管舒张效应，表现为浸泡过程中胫骨前肌氧合血红蛋白+肌红蛋白、腓肠肌总血红蛋白+肌红蛋白和脱氧合血红蛋白+肌红蛋白水平明显升高，且胫骨前肌的氧合相关指标在恢复期仍维持稳定，两种肌肉的组织氧饱和度在CCWI下均高于普通冷水浸泡（CWI），说明肌肉组织中动脉化氧含量更丰富。

2. 20℃的冷水刺激不会抑制二氧化碳冷水浸泡过程中的局部代谢需求，实验中肌肉脱氧合血红蛋白+肌红蛋白未出现降低，证实了这一结论。

3. 二氧化碳冷水浸泡下，浸泡侧小腿的皮肤温度明显低于普通冷水浸泡，且该低温状态持续至20分钟恢复期结束，这一现象与二氧化碳引发的血管舒张相关，血管舒张促进了身体向水中的热传递，且该热传递效应在浸泡结束后仍能持续≤20分钟。

4. 二氧化碳冷水浸泡对受试者的心血管指标（平均动脉压、心率）和温度无明显影响，仅单腿浸泡未引发心率的潜水反射，且20℃的浸泡温度不会引发受试者明显的寒颤反应，提升了冷疗的耐受性。

5. 二氧化碳对不同下肢肌肉的氧合影响存在差异，胫骨前肌的组织氧饱和度提升幅度在皮肤层和肌肉层相近，而腓肠肌肌肉层的组织氧饱和度提升幅度仅为皮肤层的一半，推测与胫骨前肌以慢肌纤维为主、毛细血管更丰富，利于二氧化碳的扩散和血管舒张效应发挥相关。

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