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肌肉血流波动、动态和静态肌肉收缩、膝伸肌运动、多普勒超声

介绍

测定与运动相关的肢体血流(BF)可能有助于康复计划，增加氧气供应、能量代谢以及中枢和外周血流动力学的一般知识。

先前已经发现，腿肌肉的摄氧量峰值与喂养动脉的直径密切相关，而喂养动脉的直径可能与依赖的肌肉质量和氧气需求[1]有关。BF改变的时间进程可能受到动脉结构重塑或运动控制受限的影响，如废用综合征等肌肉骨骼疾病和偏瘫的脑血管疾病[2-5]。

伴随血管舒张的运动充血与内在(内皮相关因素、自身类物质、代谢物和肌源性反应)以及外在(自主神经调节、中枢指令的信号/反射和运动加压反射与机械肌肉收缩/累积代谢物产物)调节有关。以及肌泵引起的动静脉压力梯度的变化。此外，在运动期间，肢体摄氧量的增加(计算为运动动脉BF和运动肢体动静脉氧差的乘积)与心血管调节和肌肉能量代谢之间的相互作用所进行的工作直接成比例。因此，通过体育训练确定肢体BF对运动的反应可能会产生关于在运动/康复处方目标下的综合循环适应和肌肉力量加强的信息。此外，比较物理治疗前后短暂运动(如反复的肢体肌肉收缩)的血流动力学，可能会增加我们对外周BF调节(即所谓的物理训练诱导的循环适应)的理解。

具有高时间分辨率的非侵入式多普勒超声可以连续地检测脉动血液速度型材的改变，作为导管中的“时间和空间平均和幅度，信号强度加权平均血液血速”。可以计算动脉BF作为靶动脉横截面积的平均血液速度乘以。

基于此技术，在不同肌肉收缩时间/频率和负荷状态下，发现导管动脉血流速度剖面在运动时(动态/静态)伴随着肌肉收缩和/或肌肉松弛，以及与血管舒张/收缩相关的快速变化。此外，综合锻炼BF的确定，例如肱、股或腘动脉喂养肢体工作肌群，也可以在肌肉收缩时进行，如前臂握力、下肢膝关节伸肌或足底屈曲锻炼的锻炼模型。

根据我们之前的报告，我们使用多普勒超声[6-15]对肢体运动期间的肌肉/运动BF调节进行了一系列研究，在稳态肌肉收缩-松弛阶段以及动态和静态肌肉收缩之间，在血流速度分布的时间过程中观察到了很大的差异。这就提出了一个问题，即如何在重复肌肉收缩时以最佳方式确定运动BF。

一般来说，非运动肢体的最佳/有效BF可通过逐次心跳周期（BBcycle）取样显示最小生理BF变异性。然而，在肌肉收缩期间，肌肉收缩引起的工作肢体肌肉中的血流速度分布可能会受到肌肉内压力变化幅度和灌注压力变化叠加影响的极大影响。因此，为了确定最佳运动BF，我们必须考虑如何通过肌肉收缩松弛周期（CRROCK）和/或心脏BBCV来治疗运动BF中的最小生理变化。

目前的评论可视化如何在与Crcycle或Bbcycle相关的运动期间确定BF，在动态/等渗和静态/等距运动中，利用膝盖伸伸模型和多普勒超声技术。

单足重复膝伸肌运动模型

先前的研究报告了利用单腿动态（所谓等张或节律）膝伸肌运动模型，通过侵入性热稀释技术测量运动腿BF[16,17]。然而，这种侵入性技术的局限性在于不能实时检测到时间段内逐拍的血流速度分布。尽管许多可用技术受到不同方法限制的影响，但研究发现，指示剂热稀释法和非侵入性多普勒超声法均能在静态和动态膝伸肌运动期间提供相同幅度的重复测量[18,19]。此外，Andersen在类似实验条件下获得的热稀释测量结果et al。[18]在统计学上与多普勒超声所得[18]相似。

在一腿的动态/静态膝盖 - 伸展锻炼中，使用使用MVC的单位百分比的单位瓦特，W或相对最大自愿收缩（MVC）的运动（绝对工作负载）限制在QuadRiceps肌群（图1）。与跑步机的行走或运行模型相比，这种模型允许使用多普勒超声稳定测量股动脉血液速度的股动脉血液速度，这与饲料导管股动脉的速度不允许BF测量，因为令人震惊的难度[6,8,10-1518,19]。

血流速度的股动脉供给使用多普勒超声，其中BF由血流速度和横截面面积的乘积所确定的活性大腿肌肉的测量中，已被验证并示出在休息和增量期间产生精确的绝对值腿部运动，如节奏/动态[18]或静态大腿肌肉收缩[15]。因此，多普勒超声的高时间分辨率使得能够在一腿的动态/静态膝盖延伸型锻炼期间连续测量整个踢腿占空比的血液速度。

股动脉的测量部位在腹股沟韧带的远端，但在股浅动脉和股深动脉分支的分叉处上方。该位置最大限度地减少股骨分叉的湍流和腹股沟区血流速度的影响。此外，目标位置导管动脉血管直径的变化大部分不受肌肉收缩和松弛的影响[6,8,15,18]。因此，血流速度的变化可能对应于BF的变化，因为BF是由平均血流速度和靶动脉稳定横截面积的乘积计算得出的。

关于膝关节伸肌运动时小腿导管股动脉的血流动力学，我们之前有:1)在[18]运动中验证了该方法，2)确定了不同肌肉收缩频率下由于增加工作强度而导致的BF的变化[8,15]，并评估了3)由于肌肉收缩和松弛阶段而导致的血流速度/BF大小的生理变异性/波动[10-13]，以及4)在一定的目标强度和每分钟肌肉收缩(cpm)率[14]时，工作量的自发变化引起BF的变化。在这篇评论中提出的运动模型是1)在10、20、30和40 W时以60 cpm (0.5s-on和0.5s-off)动态肌肉收缩(图1a)， 2)在MVC的10%、30%、50%和70%时以3 cpm (10s-on和10s-off)重复静态肌肉收缩(图1b)。

图1。单腿膝伸肌运动模型。

a） 每分钟收缩60次时的等张性肌肉收缩，分别在10、20、30和40 W时进行0.5s-主动（主动）肌肉收缩和0.5s-被动肌肉放松（1s），持续5分钟。

b) <静态>重复等距肌肉收缩，分别在10%、30%、50%和70%MVC下进行10s-自愿(主动)等距肌肉收缩和10s-肌肉松弛(20s) 5分钟。

通过跟随可视和可听节拍器的节奏并通过在监视器上实时显示收缩频率来维持自愿收缩节律。在3分钟到5分钟的稳定状态下测量血流动力学参数的同时记录。ex前，运动前；%MVC，最大自愿收缩的百分比；C、 肌肉收缩期；R、 肌肉放松期。

图2。运动时同时记录血流速度及血流动力学参数

a) <动态>在平均血流速度(MBV)的振荡中，由于肌肉收缩-舒张周期叠加在心跳周期上，等长肌肉收缩明显。MBV谱显示湍流代表非收缩和舒张部分。b) <静态>重复等距肌肉收缩可能表明与心脏收缩期-舒张期相对应的每次搏动的MBV谱。血液流速波动(变异系数)由每个肌肉收缩-舒张周期(●或*)以及心脏逐次跳动周期(▲或†)决定。肌电图、表面肌电图;G，收缩和松弛之间的间隙。图2a是从我们原始的未发布的数据中得出的。图2b改编自Osadaet al。[15]，经生物医学中心允许不受限制地复制使用。

由于随意肌肉收缩和心脏收缩引起的血流速度波动

肌肉动态收缩和静态收缩的区别取决于肌肉收缩和松弛阶段的时间周期(对应于肌肉收缩频率)。因此，我们关注肌肉收缩和放松阶段的血流速/BF的大小，以及动态(60 cpm)和静态(3 cpm)运动在CRcycle和BBcycle之间的变化。

如图2所示，连续记录的血流动力学参数可以显示出在大腿肌肉的动态收缩和重复的静态收缩过程中，血液速度的生理变异性的大小。

在60 cpm (0.5s-开、0.5s-关)的动态/等张运动中，反复肌肉收缩时的连续血流速度曲线由于肌肉力曲线而迅速波动，表明0.5s-肌肉收缩限制了BF(暂时血流速度降低)，0.5s肌肉松弛可能导致BF(更高的血流速度)的增加(图2a)。理论上,60 cpm(单个肌肉contraction-relaxation周期在1 s)也许能够均匀干扰的大小单全血流速剖面(间隔< 1)当心率高于60次/分钟(即时间间隔的肌肉收缩类似于心率)在运动。这意味着肌力曲线每秒钟的快速变化可能会完全扰乱正常的血流速度曲线(如清晰的收缩和舒张型曲线、血压曲线等)。因此，我们承认肌肉收缩引起的生理BF变异性与收缩期和舒张期重叠的CRcycle。

图3a(与图2a所示的扩展视图相对应)清楚地显示了血液流速的生理变异性随肌肉收缩或松弛引起的肌肉力的变化，以及由此引起的肌内压力变化的四个具体幅度变化。随着血压的额外影响，以及血管扩张状态的强直影响。血液速度峰值的振荡部分与峰值肌肉力量强度和峰值血压曲线之间的相互作用有关。特别是,提示血液流速剖面点的大小为单个肌肉收缩或放松肌肉单收缩或舒张期阶段被发现收缩期峰值点密切相关——或第二整个肌肉收缩舒张期峰值压力曲线由肌肉和肌肉松弛阶段力曲线和/或肌电图信号。

有一个相对较高的男朋友组件在放松肌肉收缩阶段(RS),和在舒张期肌肉放松(RD),相比相对较低(减少)高炉组件在收缩阶段肌肉收缩(CS)在肌肉收缩和舒张期(CD)在图3 b。此外，肌肉松弛期收缩期和舒张期的BF均随负荷呈线性增加。然而，在肌肉收缩阶段，工作负荷[11]之间是相似的。

关于动态锻炼中BF的变异性，BBcycle和CRcycle之间的BF变异性在30w和40w可以看到(图4a)。在BBcycle中，这些较高的BF变化可能是由于在肌肉松弛期间，与肌肉在30 W和40 W收缩时相比，收缩或舒张期的BF有很大的增加。然而，CRcycle评估的BF的可变性在工作负荷之间是相似的(几乎15%的变异系数)。因此，确定最佳稳态BF的方法，包括CRcycle的样本(图2a中的●)是更好的，即使使用BBcycle样本测量静止BF通常是有效的(图2a中的▲)。

在图2b中描述的3cpm(开10s和关10s)的静态/等距运动中，血流速度剖面清晰地呈现出一个清晰的收缩期和舒张期剖面(类似血压曲线)。这是由于血流速度剖面无振荡(无扰动的血流速度剖面)，即使在持续10秒的等长肌肉收缩下也缺乏血管的节律性压缩。任何机械性压迫均为血管外压迫，肌内压力增加。因此，在%MVC(约15%，范围:12.4 - 17.8%)之间，每搏血流速度的变化是相似的，与肌肉收缩强度没有关系(图4b)。这一发现支持在10秒持续等距肌肉收缩期间每搏血流速度降低的变化，尽管在10秒持续等距肌肉收缩期间BF逐渐但不显著增加[15]。这意味着在10秒持续的等长肌肉收缩期间，由几次逐次采样测量的BF值可能等于肌肉收缩阶段的基本BF值。

相比之下，在10%MVC - 50%MVC时，通过BBcycle评估的每拍BF的变化在10s肌肉松弛组显著高于10s等距肌肉收缩组(图4b)。然而，每搏BF变异在70%MVC的低值表明，在10s肌肉松弛期维持较高的血流速度(延长血管舒张)。这一结果表明，在10s肌肉放松期间，即使血流速度的主要变化发生在肌肉放松阶段，每拍BF值的时间进程也可能在50%MVC以下发生显著变化(从10s肌肉放松开始到结束，每拍BF值的衰减率很高)。

图3。叠加在心动周期上的肌肉收缩松弛时的血流速度曲线变化

a） 图2a中同时记录的部分窗口被扩大，以显示肌肉力量曲线、肌电图（肌肉收缩）和血压曲线（心跳）对血流速度分布的影响。时间血流速度曲线与血压曲线和肌力曲线密切相关。研究发现，单次收缩或舒张期的单次肌肉收缩或肌肉松弛的血流速度峰值与通过肌肉收缩-舒张期的收缩峰值或舒张第二峰值血压曲线密切相关。肌肉收缩同步收缩（CS）或舒张（CD）；肌肉舒张同步收缩（RS）和舒张（RD）；肌电图，表面肌电图。

b)肌肉收缩期和肌肉舒张期的血流不同，在收缩期和舒张期依次提供血流。肌肉舒张期血流与功率呈线性正相关。值表示为平均值±标准误差。

图3A是从我们原始未发布的数据中汲取的。图3B适用于Osada和Rådegran[13]，其允许从日本生理学会的许可转载。

图4。在动态和静态运动中，由肌肉收缩或心脏收缩周期决定的血流波动(变化)

a) <动态>等张运动;在30 W和40 W时，心脏逐搏周期(1-BBcycle)测定的血流变异性(变异系数)显著高于肌肉收缩-松弛周期(1-CRcycle, 1s)，尽管在1-CRcycle测定的每种工作负荷下的血流变异性相似。

b）<静态>等距运动;有在10S-肌肉收缩阶段或10S-肌肉松弛阶段，在最大随意收缩（MVC％）的每个百分比1 CRcycle（20岁）在1 BBcycle之间的血流变性的显著差异。*显着差异（P <0.05） - 一种方式ANOVA。这些值表示为平均值±标准误差。图4A适用于Osada和Rådegran[12]，掌握了Edizioni Minerva Medica的许可。图4B是我们在REF中新分析的原始未发表的数据。[15]。

在10%MVC - 50%MVC下的BF值以及在10 -等长肌肉收缩和舒张之间BF值变化的差异可能表明在重复等长肌肉收缩期间10 -肌肉收缩结束后的运动性充血特征(描述每搏BF值的指数衰减)图2b)[15]收缩和松弛阶段的速度幅度。如上所述，我们必须认识到，在肌肉放松阶段，第一次和最后一次心跳的单次血流速度值有很大的差异，在50%MVC以下，每一次心跳的BF变化明显高。

从这些发现中得到的信息是，如果在肌肉放松期间使用较短的逐拍取样时间来确定BF，则产生的BF值可能会过高或过低估计。我们必须意识到，在肌肉松弛阶段，通过瞬时逐拍采样测量的BF可能无法表示基本BF值。

正如所料，通过CRcycle（*在图2b中）测量在BF变化期间10S-isometrcic肌肉收缩（10％MVC和30％MVC）是由BBcycle（†在图2b）显著下，和肌肉松弛（10％MVC期间-70％MVC）。这证明了包括肌肉收缩和弛豫阶段（即Crcycle）的综合（Net-）BF与BBCycle在肌肉收缩和/或放松期间的Bbcycle相对高的BF变化相比，综合性（即Crcycle）自然可变。稳态BF的最佳测定可能需要CR含量抽样进行重复的等距肌肉锻炼。

推测运动期间控制BF的机制与CRC循环有关

心血管对运动的反应是由来自中央运动系统和外围传感器(如压力感受器、肌肉化学感受器和机械感受器)的信号协调的，这些信号被中枢神经系统与运动/肌肉收缩强度的程度整合在一起。中枢神经系统可通过改变交感神经和副交感神经活动而影响心率、心输出量和血管张力，从而影响骨骼肌BF。此外，运动诱导的肌肉充血被“反馈”和“前馈”血管控制机制之间的相互作用控制，其中包括中枢机制(神经和激素因素)，以及涉及肌源性活动的局部机制，以及来自内皮的介质，肌肉纤维和/或肌肉机械因素。

在利用相对较小的大腿肌肉质量的膝伸肌运动模型中，调节BF的局部因素被认为是最重要的，包括自愿重复的肌肉收缩。以前已经讨论过，肌肉收缩引起的导管动脉血流速度变化可能与肌内压力变化(肌肉力学因素)的大小和灌注压力变化(脉动血流动力学因素)的叠加影响密切相关[10,11,13-15,20-22]。在稳定状态下，肌肉收缩时的高肌内压力可能会暂时降低甚至逆转血流速度，这取决于肌内压力和动脉血压之间的关系。因此，血液流速和流量的主要程度发生在肌肉放松阶段。

最后，将时间和空间平均血流速度/流量大小/动力学可以表示与血流速度的变化上述集成心血管调节（血管舒张的变化）由于CRcycle通过的现象。连续记录中的高时间分辨率血液速度曲线可能适用于对BF调节的研究（在图2中描述的血液速度曲线的快速变化的时间过程）。

锻炼血流量和锻炼强度

工作肌肉中的肢体导管动脉BF是局部大型肌肉群代谢需求的一个指标。因此，运动净BF随着目标强度的增加（动态运动为工作量，静态运动为%MVC）呈线性正增长，如图5所示。有趣的是，关于静态运动，净BF和%MVC之间存在密切的正线性关系，肌肉放松阶段的BF和%MVC之间存在密切的正线性关系，但在等长肌肉收缩阶段没有。使用具有高时间分辨率的多普勒超声可以评估血流速度曲线的幅度。我们发现的重要信息是，由于CRcycle和/或BBcycle引起的血流速度的时间分辨率变化对于测量目标运动BF是有价值的信息。

图5。血流量与运动强度的关系

a) <动态>净血流量与负荷呈正线性关系(r = 0.991, p < 0.01)。b) 肌肉放松时(r = 0.989, p < 0.05)和肌肉收缩-放松联合时(r = 0.984, p < 0.05)血流量与%MVC呈密切正线性关系。然而，等长肌肉收缩时的血流量在目标%MVC内没有变化。静态(p < 0.05，相关系数，r) -线性回归分析。NS,不重要;%MVC，最大自愿收缩的百分比。这些值表示为平均值±标准误差。图5a改编自Osada和Rådegran[12]，经Edizioni Minerva Medica许可复制。图5b改编自Osadaet al。[15]，经生物医学中心允许不受限制地复制使用。

确认

作者感谢退休教授Bengt Saltin、哥本哈根肌肉研究中心的工作人员以及参与研究的志愿者的长期支持。该研究得到了丹麦国家研究基金会504-14和科学界“优秀青年研究人员海外访问计划”的支持。

研究(No. 21-8285) 2010和科学研究(C)一般(No. 15K01730)来自MEXT和JSPS (T. Osada)。

2021年版权燕麦。所有权利reserv

作者贡献

T. Osada对研究的概念和设计、数据采集、分析和解释做出了贡献。

T.Osada和G.Rådegran参与了手稿的起草、修改和定稿。

利益冲突

作者声明没有与文章相关的利益冲突。

工具书类

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