運動生理週訊(第82期)
運動生理學研究技術概論(January 19, 2001)
王健(浙江大學運動生理學家)
運動生理學(Exercise Physiology) 是一門誕生于20世紀初的新興學科，也是一門生理學與人體運動科學、康復與預防醫學、臨床醫學、物理學、化學和數學等自然學科相互交叉滲透而成的學科，它通過觀察和實驗研究人體在從事運動時或在長期運動影響下，身體結構、機能所發生的反應與適應，進而探討其發生、發展和變化的規律及其生物學意義，闡明其原因和機制，具有較強的理論性、綜合性和實用性。而運動生理學研究技術則是一門研究對運動相關的各種生命活動現象、狀態、性質和成分進行測量的原理、方法及其應用的科學，在運動生理學研究中佔有重要的地位。
運動生理學技術所涉及的研究範圍非常廣泛，幾乎包含了所有生命活動在分子水平、細胞水平和系統水平各層次的物理、化學和生物資訊檢測，這些檢測技術可根據不同的分類標準劃分為許多種類。從被檢資訊的性質上可分為生物物理量和生物化學量的檢測，前者主要包括生物電、生物磁和各種非生物電磁生理參數的測量；而後者主要研究機體的化學成分及其他化學資訊的檢測。從檢測進行的機體條件上可分為在體(in vivo)檢測和離體(in vitro)檢測,前者的即時性和動態性好，而後者的測量條件穩定、易於控制、測量精度高。此外，還可根據機體的創傷程度，將在體檢測分為無創檢測(noninvasive measurement) 、有創檢測(invasive measurement)和微創(minimally invasive measurement)檢測三類。無創檢測常在體表進行，故也叫非侵入性檢測，通常採用間接檢測方法；而有創檢測一般在體內進行，故由叫侵入性檢測，通常採用直接檢測方法。例如表面肌電圖、心電圖、肌聲圖等是在體外進行測量的，為無創檢測；以微量采血針採取血樣並進行血乳酸濃度分析為微創檢測；而採用活檢法檢測肌纖維類型則為有創檢測。無創檢測不會對機體造成創傷，易被受試者接受，但由於人體內部的生理、生化資訊經過組織傳導到皮膚表面時，信號幅度要衰減，信號形態要發生畸變，故大部分無創檢測方法的特異性和準確性較差；微創和有創檢測雖然對機體有一定的損害並給受試者帶來一定的痛苦，但其原理明確、方法可靠、檢測資料精確。
目前，運動生理學研究中常採用的檢測技術主要包括以下幾種：
1．生物電檢測
生物電(bioelectricity)檢測是指在體表進行的生物電位元及其他電特徵(阻抗和導納)的檢測。生物電起源於生物體內可興奮細胞或組織的電生理過程，其檢測方法一般是由安置於體表的特殊電極或電極組檢集生物電資訊，經放大、濾波後，供進一步處理和顯示。目前，已有許多生物電檢測技術在運動生理學研究中得到廣泛的應用，例如，體表心電圖可以檢測心臟電活動、表面肌電圖可以反映被檢部位神經肌肉電活動、腦電圖可以檢測由腦細胞群電活動所形成的腦電波等，這些生物電檢測技術在人體功能水平和功能狀態的評價中均發揮著重要的作用。
2．生物磁檢測
人體產生的磁場分為兩種，一種是伴隨體內細胞膜內外離子運動形成的生物電流而產生的電磁場，又稱變動磁場，另一種是有自然界含鐵性成分及某些磁性物質經呼吸道吸入或消化道食入體內而在體外形成的磁場，又稱定常磁場，它們都被成為生物磁場。生物磁(biomagnetism)檢測的資訊主要是生物體內伴隨生物電活動而產生的磁場，如心磁、腦磁、肌磁等。
生物磁場的強度一般都很微弱，如心磁場強度為10-10T(特斯拉)，腦磁場強度為10-12T，肺磁場強度低於 10-8T，它們僅為環境磁場的數十萬分之一至數千萬分之一，非常難以測定。因此，生物磁場的檢測必須在去除地球磁場和消除城市磁場雜訊干擾後才能進行。目前，在強的磁場雜訊中對弱的磁場進行檢測時通常採用以下四種去除雜訊干擾的方法，即：採用磁場遮罩室遮蔽磁場雜訊、採用兩極差動式磁場梯度檢測器抵消環境磁場雜訊、將以上兩種方法結合起來以及用高溫超導來遮蔽地球磁場雜訊。而在磁場信號的檢測方面則採用了超高敏感度(10-14T-10-15T)的磁場感應裝置即超導量子干涉儀(SQUID)進行測定。由於SQUID是一種非接觸式檢測方法，因而不受被檢物件表面干擾狀況的影響，也可避免生物電檢測中安放電極的麻煩。此外， SQUID還具有信號檢測不失真和空間定位效果好的優點。有鑒於此，生物磁檢測將在運動生理學研究中展現出良好的應用前景。
3．非電磁生理參數檢測
非電磁生理參數，是指生物體內生理活動產生的電磁資訊以外的力、光、熱、聲等各種物理資訊，如運動生理學研究中常用的的血壓、呼吸、體溫、血流、心音、肌聲和血氧飽和度等生理參數即屬此類。這些參數在運動生理學研究領域有重要的應用價值。
非電磁生理參數的測量，一般是利用各種物理感測器，將生物體內各種非電磁生物物理資訊轉換成電量或其他易測量、處理和記錄的量，然後進行資訊處理和顯示記錄。感測器技術是測量非電磁生理參數的關鍵，由於生理資訊的多樣性和複雜性，生物物理感測器的原理和結構也多種多樣，目前大多已比較成熟，並已有各種感測器產品出售。
4．生物化學量檢測
生物化學量檢測的資訊，是生物體內血液、尿液、淋巴液、唾液、精液、汗液等體液和氣體及組織中的化學成分，如體液中的鉀離子、鈉離子、氯離子、鈣離子等，血液中含有的氧、二氧化碳等氣體濃度，體液和組織中的糖、乳酸、抗原、抗體等合成分子成分等等。
生物化學量檢測方法基本分為兩大類。一類是感測器檢法，即利用感測器將生物化學量轉換為電量進行測量。另一類是試劑法，即利用化學試劑或試紙檢測生物化學成分，進而用光度法技術等進行定量測量。第一種方法具有測量簡便、裝置小型、速度快、容易實現在體測量和多參數同時測量，沒有試劑污染等優點。而第二種方法定量性好，適合大批量樣品的檢查，因而在自動生化分析儀中廣泛應用，成為目前生理學研究最主要的生化檢測方法；其缺點是設備複雜，不能進行在體和動態測量，試劑對環境有污染，操作亦較複雜。
利用感測器的生物化學量測量方法，其關鍵技術是生物化學感測器。生物化學感測器主要分為電化學感測器和生物感測器兩大類。電化學感測器的基本結構是，由檢測待測物質引起的電流或電位變化信號的導體或半導體器件與包覆其表而的選擇性透過膜組成，其中具代表性的有氧電極和離子選擇性電極等，它們都是運動生理學研究經常採用的檢測技術。電化學感測器在檢測體液中的pH值、血液中氧和二氧化碳氣體含量、血液或尿液中的鈉離子、鉀離子、鈣離子、氯離子等電解質含量等方面已達到實用化程度，並形成血氣分析儀和電解質分析儀等生化儀器。但是，不少電化學感測器的性能還有待於改善，特別是如何提高選擇性、防止體液成分對感測器的毒化、提高穩定性和使用壽命、實現微型化和多參數測量、提高回應速度和靈敏度等方面的研究將成為該領域的重要發展方向。生物感測器是把生物識別物質如脢、抗體、抗原、微生物、細胞器等固定在選擇性透過膜上，與電化學感測器組合在一起而成，因而又稱作生物—電化學感測器。生物感測器測量的資訊主要是生物物質中各種合成分子成分。根據其利用的生物識別物質的不同，生物感測器主要分為兩大類。其一是生物催化感測器，是利用脢、細胞、組織等具有輔脢性質的物質作為生物識別物質，如脢感測器、微生物感測器、組織感測器等，其原理是這些具有輔脢性質物質能選擇性識別被測物質而形成過渡複合物，然後迅速轉化脢生成物，並在轉化生成物過程中產生電信號。其二是生物吸附感測器，是利用抗體、結合蛋白質、激素受體、DNA、RNA等與生物體具有親和性的物質作為生物識別物質，如免疫感測器、受體感測器、 DNA感測器等，其原理是這些物質選擇性識別被測物質而成穩定的複合物，複合物形成前後膜電位的變化用電化學感測器測量。
光度法是生物化學量試劑檢測法的主要測試手段，它是利用物質的光吸收特性定量測定物質組成和含量的方法，包括比色法、分光光度法、熒光法、濁度法和原子吸收光度法等。比色法是利用有色物質對特定波長光的吸收特性來進行定量分析的一種方法，它根據溶液在化學重反應後因為色淺不同而對光吸收強弱不同的原理，測定被測物質的含量。分光光度法是根據比爾(光吸收)定律測定物質對某一區域不同波長光的吸收程度，進而測出該物質的吸收光譜或濃度的方法。熒光法是利用某些物質在紫外光照射下能發出波長大幹照射波長的光(即熒光)的特性，通過測量發射光熒光波長及強度對物質進行定性或定量分析的方法。法度法是依據懸浮溶液中顆粒對光線的散射特性測定待測組份的含量的方法。原子吸收光度法則是利用各種元素的物質在受外來能量激發而變為原子狀態時能吸收特定波長的光的特性，通過測量吸收波長及吸收程度來檢測某元素及其含量的方法。
此外，生物化學量的檢測還大量地採用許多化學分離技術，其中主要有色譜法技術和電泳技術。色譜技術是用於分離密切相關的化學物質的一種方法，其依據是：被測物質在固定相和流動相之間的移動速度不同，移動速度的差異是由於被分析的物質在固定相和流動相中的溶解能力(可溶性)不同。將所測的樣品加入至流動相，若樣品物質的可溶性在固定相中較可溶性在固定相中較低，則各種組成成分在流動相中就流動得較快，不同成分可由流動速率來進行識別，流動速率(Rf)定義為被分折成分的運動速度V1和流動相的運動速度V2的比率。固定相可以是固定物質和液體，液體可借助於多孔固體介質而使之不動。流動相或是液體(有機溶劑)，或是氣體(通常是氦氣)，使用液體時稱為液體色譜法，使用氣體時稱為氣體色譜法，這兩種方法可用於分離那些能夠變成溶液或氣體形式的物質。電泳法是在直流電場作用下，帶電粒子(物質分子都帶有電荷)在電解質溶液中朝著逆電場方向移動(泳動)的現象稱為電泳。在相同的電泳條件下，帶電量不同、大小不同的粒子有不同的泳動速度，所以在經過一定的的泳動時間後，不同性質的帶電粒子會集中到不同的區域，從而使樣品中的各種組份互相分離。這樣就可對樣品進行分類並進行定量和定性分析，這就是所謂的電泳法。在運動生理學研究中電泳法主要用於同功脢和蛋白質等生物大分子的分離。
5．生物資訊遙測
生物資訊遙測是生物資訊的一種遠端檢測技術，是通過一定距離測量生物體的某些生物資訊的技術，是生物傳感技術與通信技術結合的產物。生物資訊遙測技術出現于20世紀初，到70年代以後，隨著積體電路和低功耗器件的發展，使之進入迅速發展時期，在臨床醫學、預防醫學、運動醫學和空間醫學研究等廣泛領域得到應用。生物資訊遙測可分為無線遙測和有線遙測兩大類，前者是運動生理學研究常用的檢測技術。
無線遙測是通過電磁耦合、電磁波、紅外、鐳射和超聲波等的發射和接收來傳遞生物資訊的，它允許被測生物體在一定範圍內自由活動，因而有利於在生物體活動狀態下長時間、即時監測其生物資訊，運動生理學研究中常用的遙測心率和遙測肌電圖等均數此類。無線遙測的主要組成部分是電極或感測器、放大器、發射機、接收機和終端設備。電極或感測器可植入生物體內或固定於體表面上。被檢集的資訊由無線電波、鐳射或超聲波傳輸至一定距離之外的接收器，被測物件與接收和記錄器之間沒有導線及其他傳輸線連接。無線遙測方法中最實用的是無線電遙測。電極或感測器的長期穩定性、系統的信噪比和抗干擾能力、發射器輸出功率和接收器靈敏度、植入式遙測裝置的電源性能和供電方式以及生物體接觸部分的尺寸和重量等，是無線遙測技術的關鍵。
6．醫學圖像
醫學圖像可以非常直觀的方式展示人體內部的形態結構或有關生理參數的空間分佈，是近代人體科學研究中的一種不可缺少的研究手段。醫學圖像的研究主要包括醫學成像和醫學圖像處理兩個方面，前者主要研究成像過程，包括成像機理、成像設備和成像系統等，而後者重在研究對已獲取圖像的進一步處理以滿足各種基礎和應用研究的需要。
醫學圖像的研究歷史悠久，特別是自20世紀50年代以來，隨著大量高新技術的發展和應用，醫學圖像技術有了長足的進步，形成了以 X線成像、超聲成像、放射性同位素成像及核磁成像等為主的一系列先進的醫學成像技術。
自從1895年倫琴博士用X射線獲得人類第一張手的X線片以來，在X射線的理論和技術領域內，有著不少的建樹和創造。但是， X線拍片一直是把三維的生物立體解剖結構攝成兩維的平面圖，造成相鄰器官或組織的影像相互重疊。雖然機械斷層攝片可解決部分影像重疊問題，但當相鄰結構之間對 X線的吸收差別小時，其影像的分辨力不高，造成診斷困難。隨著科學技術的不斷發展，醫學影像診斷的技術和設備也不斷改善。1969年，英國人Hounsfield設計了首台電子電腦體層攝影裝置。隨後神經放射診斷學家 Ambrose將此裝置用於臨床並取得滿意的診斷效果，這使醫學影像診斷發生重大突破。為此，1979年Hounsfield獲得當年諾貝爾醫學生物學獎。
超聲成像一般是採用脈衝回波方式成像，即用一個短暫的電脈衝激勵換能器晶片，使之振動產生超聲波並射入人體，進入人體的超聲波在遇到組織介面時，就會產生較強的回波信號。於是根據接受到的回波信號就可以直接獲取掃描平面上的人體結構圖象，這就是所謂的 B型圖像。此外，血流測量也可以通過超聲波進行檢測。超聲血流量檢測是根據經典的多普勒原理實現的，射入人體一定頻率的超聲波，在遇到流動的血球時，血球產生的向後散射的信號就會出現多普勒頻移。通過對多普勒回波信號的分析，就能夠獲得血流的方向和流速資訊。近年來在生理學和臨床醫學研究中使用的超聲彩色血流儀，還進一步把血流資訊疊加到二維的 B型圖像上並以不同顏色表示血流方向，於是在一張圖像上既能看到器官的形態結構，又能觀察到動態血流，從而大大方便了研究工作。超聲波的檢測特點是對人體無損傷、無電離輻射，同時它又能夠提供人體斷面即時的動態圖像，因此可廣泛用於心臟和腹腔檢測。
放射性同位素成像是把某種放射性同位素標記在藥物上，然後引入人體內，當它被組織吸收後，人體便成了輻射源。放射性同位素在衰變過程中，將向體外放射γ射線。此時只要在體外使用射線探測器便可觀察這些放射性同位素在體內的分佈情況。從所獲得的放射性同位素成像中，人們不僅可以看到器官的形態，還可以從中瞭解器官的代謝情況。
核磁成像又稱磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)，其過程是將人體置於一強磁場中，此時如果同時對人體施加一個一定頻率的交變射頻場，那麼被探測的質子就會發生共振並向外輻射共振信號，於是在接受線圈就會有感應電勢產生。所接受到的信號經電腦處理，便可得到清晰的人體斷面圖象。磁共振成像的優點是對人體無損害、無電離輻射並可對人體組織作出形態和功能兩方面的檢測。此外，磁共振成像的圖像解析度也較高且較容易獲得人體的三維圖像。
參考文獻
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