利用红外热成像技术检测延迟性肌肉酸痛

摘要

本研究的目的是评估使用红外热成像相机是否是检测和量化运动后肌肉酸痛的有效工具。

摘要

延迟性肌肉酸痛（DOMS），也称为运动诱导的肌肉损伤（EIMD），常见于长时间缺乏体力活动的人群，在突然开始一次意外的锻炼后出现^1-4，也可能发生在超出其常规训练强度的运动员身上⁵。与这种疼痛现象相关的症状可从轻微的肌肉压痛到严重的致残性疼痛不等^1,3,5。这些症状的强度及相关不适感在运动结束后最初24小时内逐渐加剧，并在运动后24至72小时达到高峰^1,3。因此，DOMS 是一种最常见的反复发作的运动损伤，可能影响个体的运动表现，并使许多人望而生畏^1,4。

近30年来，延迟性肌肉酸痛（DOMS）现象在运动生理学、体育运动和康复领域的研究人员及专家中引起了广泛关注⁶。已有大量发表的研究针对这一疼痛现象的潜在机制、治疗干预措施及预防策略进行了探讨^1-5,7-12。然而，从现有文献可以看出，DOMS并非一种易于量化的病理状态，因为在用于量化该状况的测量工具和方法之间存在较大的差异性⁶。显然，目前尚未就DOMS的最佳评估方法达成共识，这使得难以确认某种特定干预措施是否真正有助于减轻此类酸痛的相关症状。因此，DOMS在一定程度上具有模糊性，因为许多研究依赖视觉模拟评分法（VAS）来测量酸痛程度^10,13-15，而这种方法属于主观评估而非客观测量。尽管肌肉组织针刺活检和肌纤维蛋白的血液水平在某些人看来可能是“金标准”⁶，但已有文献记录显示这些血液蛋白水平存在较大变异^6,16，此外，侵入性技术有时还伴随较高的风险。

因此，在本项研究中，我们测试了一种利用运动后肌肉上方皮肤的热红外（IR）成像技术来检测相关肌肉酸痛的方法。自20世纪50年代以来，红外热成像技术已被应用，并被证实可用于成功检测多种类型的疾病和感染¹⁷。但令人惊讶的是，关于延迟性肌肉酸痛（DOMS）与皮肤温度变化的研究却几乎未见报道。本研究的主要目的是利用这种安全且无创的技术来观察DOMS过程中的变化。

方案

1. 实验操作

1. 本实验所关注的肌肉为肘屈肌（肱二头肌）。
2. 为每位参与者测量肌肉力量，以确定适合其个体的适当阻力。该阻力通过测试每位参与者的最大阻力（RM）来确定。
3. 在进行RM测试时，我们使用一个与计算机连接的应变仪装置，该装置通过BioPac（DA-100C）生物电放大模块（BioPac Systems, Goleta, CA）进行信号采集。该模块连接至MP-100模拟-数字转换器，采样频率为每秒1,000赫兹，分辨率为24位（图10）。
4. 应变仪装置固定在实验台面上，呈45°角。受试者被要求坐在装置后方，将肘部置于带衬垫的区域，使施力通过手腕进行。这是确保受试者仅使用肱二头肌而不募集其他肌肉的最佳方式（图11）。
5. 肌肉力量在三个时间点进行测定，每次收缩持续3秒，各次收缩之间间隔约45秒。三次测量结果的平均值即为RM。
6. 在确定每位受试者肱二头肌的RM后，以该RM值的35%进行预定的锻炼实验。
7. 所有受试者均采用适当的负重哑铃进行相同的锻炼，以诱导延迟性肌肉酸痛（DOMS）。具体操作为：受试者坐在椅子上，肘部支撑于大腿，完成4组、每组25次的肱二头肌集中弯举（图12）。
8. 每组之间给予受试者90秒的休息时间。受试者需完成完整的25次重复动作，若在锻炼过程中无法稳定控制哑铃，则被要求停止。

2. 红外相机准备与设置

1. 进行红外成像的房间应保持恒定温度，以尽量减少因室温差异导致的外部干扰，从而避免产生错误的热读数。本实验中，我们使用一个温度受控的房间，温度维持在约23°C（±0.5°C）。
2. 相机应设置在距离被测皮肤1米远的位置，并与皮肤表面呈垂直角度（图9a）*。
3. 在设定好所需距离后，应提醒受试者保持静止，直至图像采集完成。该过程通常不超过几秒钟，但为确保所采集图像的准确性，尽量减少移动至关重要。
4. 为尽量减少红外干扰，建议房间墙壁涂成较深颜色，而非浅色。
5. 照明在进行红外成像时也至关重要，因为荧光灯或钨丝灯等会发射红外波的光源可能导致错误的高读数。最佳照明选择是配备均匀LED光源的房间，因为LED灯几乎不会产生红外干扰（图9b）*。

* 我们的实验室使用FLIR 660红外热像仪（图8）进行了一系列测试，通过在不同角度（0（垂直）、15、30、45和60度）以及不同距离（1、2和5米）对皮肤成像，以准确检测皮肤温度。所有图像均与校准后的热电偶读数进行比较，结果发现，当角度为垂直且距离皮肤1米时，图像与热电偶读数之间的相关性最佳（r = 0.93）。不同的角度和距离会导致像素损失，从而降低图像与热电偶读数之间的整体相关性。

3. 图像采集

1. 本实验中，分别在运动前以及运动后24小时和48小时采集受试肌肉的图像。
2. 来自非目标区域的体热可能干扰热成像结果并导致错误读数。因此，不应有人站在目标受试者的侧面或后方。
3. 本研究中，同时采集了运动手臂与未运动手臂的图像，以便进行比较。如前所述，我们对其中一条手臂进行运动处理，另一条手臂则作为对照（图4和图5）。
4. 红外相机拍摄的图像编号需立即记录于单独的电子表格中，以避免难以分辨各图像对应的受试者。

4. 图像处理与分析

1. 使用“ThermoVision ExaminIR”软件（版本：1.10.2）对获取的红外图像进行处理。
2. 在选择需要分析的图像后，通过软件界面中的统计框在手臂的采集图像上确定四个感兴趣区域（图6）。
3. 当在手臂上定位好所需的各个区域后，软件将显示每个选定区域温度的平均值和标准差。随后，我们可以对各区域进行相互比较，或获得整个手臂的平均温度（图7）。

5. 视觉模拟评分与血液分析

1. 采用视觉模拟评分法（VAS）评估受试者上臂的主观酸痛程度。该量表为一条10 cm（100 mm）长的直线，一端标记为“无疼痛”，另一端标记为“极度酸痛”。要求每位受试者在10 cm直线上做一标记，以表示其对酸痛程度的感受。
2. 在运动前、运动后24小时及48小时对受试者进行VAS评分。
3. 采集受试者的外周血，用于测定血液中肌红蛋白的浓度水平。
4. 在运动前、运动结束后30分钟以及48小时时，从受试者的肘前静脉抽取血液。
5. 将血液以4000 rpm离心10分钟，以分离血清与细胞成分。样本随后储存在-80°C，直至完成肌红蛋白分析。
6. 使用TOSOH“AIA-360”全自动酶免疫分析仪（TOSOH Corp., Tokyo, Japan）测定肌红蛋白。肌红蛋白检测试剂盒（Myo 025297, ST AIA-PACK Myoglobin）按照制造商提供的说明书进行操作。

6. 代表性结果

本研究中采集的红外热成像结果在图1中清晰呈现。对41名受试者运动手臂在3个时间点（运动前、运动后24小时和运动后48小时）拍摄的图像显示，与运动前及运动后48小时的温度相比，运动后第2天（24小时）的皮肤温度明显升高。如图1所示，第1天（运动前）的平均皮肤温度为32.80 ± 1.03 °C，第2天（运动后24小时）为33.96 ± 1.46 °C，第3天（运动后48小时）为32.82 ± 1.29 °C。从第1天到第2天的皮肤温度变化具有统计学意义（ANOVA，p < 0.01）。

然而，未进行锻炼的手臂在三个时间段之间的变化并不明显。图1显示，第1天（运动前）的平均皮肤温度为33.08 ± 0.83 °C，第2天（运动后24小时）为32.79 ± 1.42 °C，第3天（运动后48小时）为33.17 ± 0.95 °C。这三天之间的皮肤温度差异无统计学意义（ANOVA p = 0.38）。

视觉模拟评分法（VAS）的疼痛评分结果如图2所示。如图2所示，受试者报告的疼痛在第2天和第3天显著升高。锻炼肌肉的疼痛水平从第1天的3.6 ± 6.1上升至第2天的36.3 ± 22.8，以及第3天的37.5 ± 25.3。与第1天相比，该升高具有显著性差异（ANOVA，p < 0.01）。

肌红蛋白浓度水平的结果如图3所示。从该图可以看出，在第1天（运动前及运动后30分钟）的两个肌红蛋白浓度之间几乎没有变化。但在第3天，肌红蛋白浓度显著升高。与第1天前两个时间点相比，第3天的升高幅度约为每毫升血液147纳克（ng/mL）。肌红蛋白浓度在基线时为30.12 ± 7.66 ng/mL，运动后30分钟为31.66 ± 11.89 ng/mL，第3天为178.96 ± 249.51 ng/mL。第3天的这一升高具有高度显著性（ANOVA p < 0.01）。

对从红外图像获得的皮肤温度与VAS酸痛评分进行了相关性分析。结果显示，第2天的VAS评分与第2天的皮肤温度测量值之间存在较明显的相关性，且该相关性具有统计学意义（r = 0.312，p < 0.05）。然而，第3天的VAS评分与皮肤温度之间未见明显相关性，该相关性无统计学意义（r = 0.047，p = 0.77）。

图1. 41名受试者在连续3天内运动肢体（菱形）与未运动肢体（方形）皮肤温度变化的代表性图示。

图2. 41名受试者在3天时间内使用视觉模拟评分法（VAS）测量的肌肉酸痛感知差异的代表性图表。

图3. 41名受试者在三个时间段内肌红蛋白浓度变化的代表性图表。

图4. A) 受试者运动前运动手臂的典型红外图像。B) 同一受试者手臂在运动后24小时的红外图像。

图 5. A) 受试者运动前未运动手臂的典型红外图像。B) 同一受试者手臂在运动后24小时的红外图像。

图6. 分析上臂热成像图像时所采用的4个感兴趣区域示意图。

图 7. “ThermoVision ExaminIR”软件界面，显示运动后手臂红外图像上的四个感兴趣区域，以及各区域的统计分析结果。

图 8. 本研究中使用的红外热成像相机（FLIR 660）。

图9. A) 红外相机设置在受试者手臂前方1米处。B) 拍摄图像时实验室中使用的LED灯。

图10. A) 用于测量肌肉力量的 BioPac 模块。B) 固定在45°倾斜凳上的应变仪装置，并连接至 BioPac 系统。

图11. 一名典型受试者在应变仪装置上施加力。

图12. 受试者正在进行诱发肌肉酸痛的运动方案。

讨论

本研究的主要目的是评估热红外成像在检测和量化剧烈运动后肌肉酸痛方面的有效性。我们的结果表明，红外成像可能是一种有效的检测延迟性肌肉酸痛（DOMS）的技术，尤其是在运动后的最初24小时内。这一点并不令人意外，因为Pennes¹⁸曾提出了一个关于肢体肌肉向皮肤传热的非常详细的模型。该模型预测，深层组织（如肌肉）中的热量可通过传导性热交换传递至血液和皮肤。肌肉运动时，由于肌纤维之间的摩擦力以及代谢率的升高，肌肉内部会产生大量热量。此外，运动后流向肌肉的血流量增加也会导致肌肉温度升高。由于肌肉属于壳层组织，其通常温度为32至33 °C；然而当运动肌肉的血流量增加时，其温度会接近核心组织的温度，即37 °C^18,19。这种血流量的增加通常在运动停止后数小时内恢复至正常水平。但如果在运动后24小时仍观察到温度持续升高，则表明运动肌肉已发生损伤。这种肌肉损伤会导致额外的热量从肌肉传递至表层皮肤，从而在皮肤下形成可检测到的热点。

红外成像已被用于检测和诊断多种疾病^17,19-24。人体温度的变化始终是功能异常的指标，其中温度升高主要...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
红外热成像相机	FLIR Systems Inc.	FLIR SC660
热红外分析软件	Thermo Fisher Scientific, Inc.	Software Version 1.10.2
生物–电放大模块	Biopac Systems, Inc.	DA100C	DA100C 提供可变增益设置和可调电压参考。
模数转换模块	Biopac Systems, Inc.	MP100
全自动酶联免疫分析仪	Tosoh Corp.	AIA -360	该设备用于分析血液样本，并获取肌红蛋白读数。