Changes of muscle oxygenation and blood lactate concentration of swimming athletes during graded incremental exercise

Abstract

The sport performance of swimming athletes in three different levels including 5 national high-level swimming athletes, 5 ordinary swimming athletes and 5 college students was investigated by near-infrared spectroscopy (NIRS). Four parameters of muscle oxygenation and blood lactate (BLa) concentration were simultaneously monitored during incremental exercise on the ergometer. It was found that inflection points of muscle oxygenation and BLa concentration were consistent with the human sport capacity. Moreover, inflection points of muscle oxygenation occurred earlier than those of BLa concentration in ordinary athletes and college students. It implies monitoring changes of muscle oxygenation is superior to BLa measurement under this condition, since BLa test has an unavoidable time lag. Significant correlation (r² = 0.948; P<0.05) was observed between inflection points of muscle oxygenation difference and inflection points of BLa concentration on workload. This relationship suggests changes of muscle oxygenation detected by NIRS is beneficial to the evaluation of athletes’ physiologic function and training load. Considering that muscle oxygenation could be in-vivo and non-invasively measured by NIRS, it may be a better indicator of exercise intensity than BLa measurement in the near future.

Keywords

functional evaluation / muscle oxygenation / near-infrared spectroscopy (NIRS) / blood lactate (BLa)

References

[1] Ferrari M, Mottola L, Quaresima V. Principles, techniques, and limitations of near infrared spectroscopy. Canadian Journal of Applied Physiology, 2004, 29(4): 463–487

[2] Hollmann W. 42 years ago—development of the concepts of ventilatory and lactate threshold. Sports Medicine (Auckland, N.Z.), 2001, 31(5): 315–320

[3] Jöbsis F F. Noninvasive, infrared monitoring of cerebral and myocardial oxygen sufficiency and circulatory parameters. Science, 1977, 198(4323): 1264–1267

[4] Nioka S, Moser D, Lech G, Evengelisti M, Verde T, Chance B, Kuno S. Muscle deoxygenation in aerobic and anaerobic exercise. Advances in Experimental Medicine and Biology, 1998, 454: 63–70

[5] Treacher D F, Leach R M. Oxygen transport-1. basic principles. British Medical Journal, 1998, 317(7168): 1302–1306

[6] Beneke R, Leithäuser R M, Ochentel O. Blood lactate diagnostics in exercise testing and training. International Journal of Sports Physiology and Performance, 2011, 6(1): 8–24

[7] Devlin J, Paton B, Poole L, Sun W, Ferguson C, Wilson J, Kemi O J. Blood lactate clearance after maximal exercise depends on active recovery intensity. Journal of Sports Medicine and Physical Fitness, 2014, 54(3): 271–278

[8] Aguiar R A, Cruz R S, Turnes T, Pereira K L, Caputo F. Relationships between VO₂ and blood lactate responses after all-out running exercise. Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism, 2015, 40(3): 263–268

[9] Baker J S, Thomas N, Cooper S M, Davies B, Robergs R A. Exercise duration and blood lactate concentrations following high intensity cycle ergometry. Research in Sports Medicine, 2012, 20(2): 129–141

[10] Bellezza P A, Hall E E, Miller P C, Bixby W R. The influence of exercise order on blood lactate, perceptual, and affective responses. Journal of Strength and Conditioning Research, 2009, 23(1): 203–208

[11] Faude O, Kindermann W, Meyer T. Lactate threshold concepts: how valid are they? Sports Medicine (Auckland, N.Z.), 2009, 39(6): 469–490

[12] Garcia-Tabar I, Llodio I, Sánchez-Medina L, Ruesta M, Ibañez J, Gorostiaga E M. Heart rate based prediction of fixed blood lactate thresholds in professional team-sport players. Journal of Strength and Conditioning Research, 2015,  29(10): 2794–801

[13] Bhambhani Y N. Muscle oxygenation trends during dynamic exercise measured by near infrared spectroscopy. Canadian Journal of Applied Physiology, 2004, 29(4): 504–523

[14] Chance B, Anday E, Nioka S, Zhou S, Hong L, Worden K, Li C, Murray T, Ovetsky Y, Pidikiti D, Thomas R. A novel method for fast imaging of brain function, non-invasively, with light. Optics Express, 1998, 2(10): 411–423

[15] Hamaoka T, McCully K K, Quaresima V, Yamamoto K, Chance B. Near-infrared spectroscopy/imaging for monitoring muscle oxygenation and oxidative metabolism in healthy and diseased humans. Journal of Biomedical Optics, 2007, 12(6): 062105

[16] McCully K. Near infrared spectroscopy in the evaluation of skeletal muscle disease. Muscle & Nerve, 2002, 25(5): 629–631

[17] Quaresima V, Ferrari M. Muscle oxygenation by near-infrared-based tissue oximeters. Journal of Applied Physiology (1985), 2009, 107(1): 371

[18] Lai N, Zhou H, Saidel G M, Wolf M, McCully K, Gladden L B, Cabrera M E. Modeling oxygenation in venous blood and skeletal muscle in response to exercise using near-infrared spectroscopy. Journal of Applied Physiology (1985), 2009, 106(6): 1858–1874

[19] Sassaroli A, Fantini S. Comment on the modified Beer-Lambert law for scattering media. Physics in Medicine and Biology, 2004, 49(14): N255–N257

[20] Villringer A, Chance B. Non-invasive optical spectroscopy and imaging of human brain function. Trends in Neurosciences, 1997, 20(10): 435–442

[21] Wolf M, Ferrari M, Quaresima V. Progress of near-infrared spectroscopy and topography for brain and muscle clinical applications. Journal of Biomedical Optics, 2007, 12(6): 062104

[22] Zhang Z, Wang B, Nie Q, Luo Q, Gong H. Portable muscle oxygenation monitor based on near infrared spectroscopy. Frontiers of Optoelectronics in China, 2009, 2(3): 248–252

[23] Zhang Z, Wang B, Gong H, Xu G, Nioka S, Chance B. Comparisons of muscle oxygenation changes between arm and leg muscles during incremental rowing exercise with near-infrared spectroscopy. Journal of Biomedical Optics, 2010, 15(1): 017007–017008

[24] Wang B, Tian Q, Zhang Z, Gong H. Comparisons of local and systemic aerobic fitness parameters between finswimmers with different athlete grade levels. European Journal of Applied Physiology, 2012, 112(2): 567–578

[25] Grassi B, Quaresima V, Marconi C, Ferrari M, Cerretelli P. Blood lactate accumulation and muscle deoxygenation during incremental exercise. Journal of Applied Physiology, 1999, 87(1): 348–355

[26] Xu G, Mao Z, Ye Y, Lv K. Relationship between muscle oxygenation by NIRS and blood lactate. Journal of Physics: Conference Series, 2011, 277(1): 012042

[27] Xu G D, Liu F, Gong H, Ge X F, Luo Q M. Blood oxygen and lactate concentrations in skeletal muscles during exercise. Space Medicine & Medical Engineering, 2003, 16(1): 41–43

Acknowledgements

This work was supported by the Educational Commission of Hubei Province of China (No. B2013154).

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg