BOM-L1TR近紅外組織血氧儀在監測二氧化碳足浴下骨骼肌氧合變化中的應用

同志社大學的Miho Yoshimura研究團隊在期刊PeerJ上發表了題為“Application of carbon dioxide to the skin and muscle oxygenation of human lower-limb muscle sites during cold water immersion” 的研究文獻，該研究旨在探究人工二氧化碳冷水浸泡（CCWI）對人體下肢肌肉皮膚氧合、肌肉氧合以及浸泡皮膚溫度的影響，試圖解決冷療引發動靜脈毛細血管血管收縮的弊端，驗證二氧化碳能否抵消低溫刺激帶來的血管收縮效應。

摘要

背景：冷療存在引發動靜脈毛細血管血管收縮的弊端，二氧化碳熱水的作用主要體現在皮膚血管舒張和肌肉血管舒張兩方面。本研究探究了人工二氧化碳冷水浸泡對皮膚氧合、肌肉氧合以及浸泡皮膚溫度的影響。

研究對象與方法：15名健康年輕男性，利用微氣泡裝置制備出二氧化碳濃度高于1150ppm的富二氧化碳水，將受試者單腿浸入20℃的富二氧化碳水中至膝蓋處，持續15分鐘，隨后設置20分鐘恢復期；以受試者單腿浸入20℃的普通冷水作為對照實驗。實驗全程監測受試者水下小腿皮膚溫度以及浸泡側和非浸泡側小腿的熱感覺，同時利用近紅外光譜法，測定靜息狀態下脛骨前肌和腓腸肌兩個區域與基礎值相比的局部肌肉氧合/脫氧合相對變化，該指標可反映肌肉血流量，此外還測定了組織氧飽和度。

結果：與普通冷水浸泡相比，二氧化碳冷水浸泡下脛骨前肌的氧合血紅蛋白+肌紅蛋白和總血紅蛋白+肌紅蛋白水平升高，且在恢復期維持穩定狀態；腓腸肌的總血紅蛋白+肌紅蛋白和脫氧合血紅蛋白+肌紅蛋白水平在二氧化碳冷水浸泡過程中升高。值得注意的是，兩種肌肉的組織氧飽和度在二氧化碳冷水浸泡時均顯著高于普通冷水浸泡。此外，與普通冷水浸泡相比，二氧化碳冷水浸泡后浸泡側小腿的皮膚溫度顯著降低，且該降低狀態持續至20分鐘恢復期結束。

討論：二氧化碳與冷水的結合，能在恢復期進一步增加肌肉的血液流入量，并引發脫氧合血紅蛋白+肌紅蛋白的體積相關（總血紅素濃度）變化。二氧化碳冷水浸泡下的水下小腿皮膚溫度低于普通冷水浸泡，這一現象與二氧化碳引發的血管舒張作用相關。

實驗材料與儀器

實驗材料

1. 實驗對象：15名健康年輕男性（年齡23.1±0.4歲，體重61.4±1.8kg，身高171±1.4cm，身體質量指數20.8±0.5，體脂率15.7±1.1%），無心血管異常和皮膚損傷；

2. 實驗用水：濃度＞1150ppm的富二氧化碳水、普通自來水，均維持20℃恒溫；

3. 二氧化碳相關：74g小型二氧化碳氣罐，用于制備富二氧化碳水。

實驗儀器

雙室/雙渦旋高速旋轉系統、等溫冷卻系統、電子體溫計、商用熱敏電阻、自動張力計、

超聲設備、OmegaWave BOM-L1TR近紅外組織血氧儀。

實驗環境：氣候室，維持環境溫度25.0±0.5℃、相對濕度55±3%；47L水容器，用于腿部浸泡。

OmegaWave BOM-L1TR近紅外組織血氧儀

實驗過程

本研究為對照實驗，采用雙盲設計，所有實驗均在同一時間的氣候室內進行，具體流程如下：

1. 靜息準備：受試者進入氣候室后，靜坐10分鐘作為靜息階段，測定各項基礎生理指標，包括核心溫度、皮膚溫度、血壓、心率、肌肉氧合基礎值等。

2. 浸泡處理：將受試者右腿浸入47L水容器中至膝蓋處，分為兩組處理：一組為二氧化碳冷水浸泡（CCWI），使用濃度1150ppm的20℃富二氧化碳水；另一組為普通冷水浸泡（CWI），使用20℃普通自來水，浸泡時長均為15分鐘。

3. 恢復期監測：浸泡結束后，受試者將腿移出水面，進入20分鐘恢復期，持續監測各項生理指標。

4. 指標測定頻率

皮膚溫度、肌肉氧合相關指標：使用OmegaWave BOM-L1TR近紅外組織血氧儀

每3分鐘取30秒平均值，監測浸泡期（3、6、12、15分鐘）和恢復期（3、6、12、15、18分鐘）；

脛骨前肌中氧合、脫氧及總血紅蛋白的動態變化。

脛骨前肌（TA）淺層（A–C）與肌肉層（D–F）內，相對于基線水平的氧合血紅蛋白 + 肌紅蛋白（oxy [Hb+Mb]）、脫氧血紅蛋白 + 肌紅蛋白（Deoxy [Hb+Mb]）以及 ** 總血紅蛋白（total [Hb+Mb]）** 的動態變化。

與基線相比的時間效應：*p?<?0.05，**p?<?0.01（相較于 BL）簡單主效應：?p?<?0.05，??p?<?0.01（同一時間點 CCWI 與 CWI 組間比較）

心血管指標（血壓、心率、平均動脈壓）、溫度、熱感覺：每5分鐘取30秒平均值，監測靜息基線、浸泡期（5、10、15分鐘）和恢復期（5、10、15、20分鐘）；

熱感覺采用7分制評分量表，僅記錄-3至0區間的冷覺相關評分。

5. 數據處理：利用SPSS軟件進行統計分析，采用雙因素方差分析比較水條件（CCWI、CWI）和時間階段的差異，差異后進行Bonferroni事后檢驗，Dunnett檢驗用于與基線的多重比較，明顯性水平設為5%；樣本量檢驗采用PS Power and Sample Size Calculations，確保實驗檢驗效能為0.941。

結論

1. 二氧化碳冷水浸泡（CCWI）能在脛骨前肌和腓腸肌引發更強的血管舒張效應，表現為浸泡過程中脛骨前肌氧合血紅蛋白+肌紅蛋白、腓腸肌總血紅蛋白+肌紅蛋白和脫氧合血紅蛋白+肌紅蛋白水平明顯升高，且脛骨前肌的氧合相關指標在恢復期仍維持穩定，兩種肌肉的組織氧飽和度在CCWI下均高于普通冷水浸泡（CWI），說明肌肉組織中動脈化氧含量更豐富。

2. 20℃的冷水刺激不會抑制二氧化碳冷水浸泡過程中的局部代謝需求，實驗中肌肉脫氧合血紅蛋白+肌紅蛋白未出現降低，證實了這一結論。

3. 二氧化碳冷水浸泡下，浸泡側小腿的皮膚溫度明顯低于普通冷水浸泡，且該低溫狀態持續至20分鐘恢復期結束，這一現象與二氧化碳引發的血管舒張相關，血管舒張促進了身體向水中的熱傳遞，且該熱傳遞效應在浸泡結束后仍能持續≤20分鐘。

4. 二氧化碳冷水浸泡對受試者的心血管指標（平均動脈壓、心率）和溫度無明顯影響，僅單腿浸泡未引發心率的潛水反射，且20℃的浸泡溫度不會引發受試者明顯的寒顫反應，提升了冷療的耐受性。

5. 二氧化碳對不同下肢肌肉的氧合影響存在差異，脛骨前肌的組織氧飽和度提升幅度在皮膚層和肌肉層相近，而腓腸肌肌肉層的組織氧飽和度提升幅度僅為皮膚層的一半，推測與脛骨前肌以慢肌纖維為主、毛細血管更豐富，利于二氧化碳的擴散和血管舒張效應發揮相關。