1.1 设计 

自身对照试验

1.2 时间及地点

2017年6至10月在南京体育学院运动健康科学系试验室完成试验｡

1.3 对象

健康无专业运动经历的中年志愿者｡

纳入标准:

①年龄40-49岁;

②通过PAR-Q问卷筛查,身体健康;

③无专业运动经历;

④能够理解试验并自愿配合测试全过程,签署知情同意书｡

排除标准:

①存在心血管和呼吸系统疾病;

②未能通过PAQ运动前风险筛查并确认不能参加高强度运动的志愿者｡

试验共有67名受试者,其中男33人,女34人,年龄在40-49岁,平均年龄(45.0±3.5)岁;测试前均通过运动前风险筛查,并明确测试内容和测试目的,测试期间身体状况良好,并在测试中积极配合按照要求完成6min二级台阶试验和心肺运动试验｡试验经北京体育大学运动科学实验伦理委员会批准(批准号:2014040)｡

1.4 方法

1.4.1 6min二级台阶试验

对受试者的身高､体质量､安静心率和安静血压等基线数据进行采集,然后进行6min二级台阶试验｡测试设备为两级台阶:一级台阶高为15cm(中国住宅楼公用楼梯每阶踏步高度范围140-175mm)宽30cm;二级台阶高度男为30cm,女为25cm(参考国家国民体质测定中所用台阶高度),宽亦为30cm｡测试时受试者按照120次/min的频率上下台阶,具体为:当第1声节奏器响起,一只脚踏上台阶;第2声节奏器响,另一只脚踏上台阶,双腿伸直,呈现站立姿势;第3声节奏器响起,先踏上台阶的脚先下台阶;第4声响起后,另一只脚下台阶｡测试时间共6min,按照上述运动频率在一级台阶上进行连续的上下台阶运动3min后,无时间间隔接着在二级台阶上运动3min｡测试开始前使受试者明确测试过程和需要配合的关键细节问题,受试者佩戴便携式气体代谢系统设备､polar心率带､Tango+动态血压计,并设置好节拍器,记录安静时摄氧量｡测试过程中采集受试者呼吸气体参数､心率和血压数据,并给予受试者适当的提醒鼓励,如“加油,要跟上节奏”“您的节奏非常棒,请继续保持”｡

测试结束后记录运动结束即刻的摄氧量､心率和血压｡在测试前需要对气压､气体成分､气体容量进行一一校准,每名受试者每次正式实验前均需要进行周围气体校正｡测试结束后,使用经典卡普尔曼公式对6min二级台阶测试结果进行VO2MAX(mL/kg*min)的推算｡

台阶功率N=W*H*n/T*(1+1/3) 

 PWC170=N1+(N2-N1)[(170-f1)/(f2-f1)]  

VO2MAX=(1.7PWC170+1240)/W 

其中:N1:一级台阶功率(W);N2:二级台阶功率(W);W:体质量(kg);H:台阶高度(cm);n:每分钟上下台阶次数(次/min);T:上下台阶总时间(min);f1,f2:一级､二级负荷末心率(次/min)｡

1.4.2  心肺运动试验

受试者于6min二级台阶试验结束1周后进行心肺运动试验｡受试者佩戴COSMEDK5便携式气体代谢系统设备､polar心率带､Tango+动态血压计,并于数据稳定后于跑台上进行测试,选择Bruce跑台运动负荷方案,见表1｡测试结束后继续佩戴K5静坐休息5min,或心率恢复至试验前｡

试验终止标准:当受试者出现心绞痛及其相似症状,严重气喘､恶心等低灌注体征;运动负荷增加收缩压下降≥10mmHg(1mmHg=0.133kPa,或者收缩压低于基线血压;血压过度升高:收缩压>250mmHg或者舒张压>115mmHg;肢体无力维持相应试验速度,如下肢痉挛或者跛行;受试者口头或者身体表现出极度疲劳,不能很好的实施运动方案;受试者提出终止试验;达到受试者本人年龄预测最大心率;出现摄氧量平台｡出现以上任一情况需要立即终止试验｡达到最大摄氧量的判断标准(满足其中任意3条即可认定为达到其最大摄氧量):呼吸商≥1.15;随着负荷的增加和运动时间的延长,心率不再增加,即到达本人摄氧量平台;受试者主观疲劳感觉(RPE)达到18以上且经鼓励后仍不能跟上运动节奏;达到本人最大心率,同时受试者心率达到本人85%HRmax 时测试被其他原因终止该数据视为有效(HRmax=206.9-0.67×年龄)｡

1.5  主要观察指标

①6min二级台阶试验过程中最大摄氧量和相对值;

②心肺运动试验的最大摄氧量绝对值和相对值;

③6min二级台阶试验与心肺运动试验的最大摄氧量相对值相关性和一致性,以及2种测试方法的最大摄氧量绝对值相关性和一致性｡

1.6  统计学分析 

使用SPSS24.0进行原始数据录入和逻辑筛查;针对6min二级台阶试验和心肺运动试验的最大摄氧量(绝对值)和相对最大摄氧量､运动结束后即刻心率､呼吸交换率､主观疲劳感觉等级进行描述性统计,记为x̅±s;将6min二级台阶试验和心肺运动试验测得的最大摄氧量进行配对样本t 检验和相关性分析;对6min二级台阶试验和心肺运动试验最大摄氧量进行组内相关系数(ICC)一致性分析(ICC是衡量和评价观察者间信度系数之一,适用于定量资料信度检验, ICC值划分为5个等级,分别为0-0.20 差(poor)､0.21-0.40一般(fair)､0.41-0.60中等(moderate)、0.61-0.80较好(substantial)､0.81-1很好(almost perfect));显著性水平:P <0.05｡

2.1 受试者数量分析

研究中同时完成6min二级台阶试验和心肺运动试验受试者数据视为有效数据,其中男33人,女34人,总计有效样本量67人｡受试者基本情况见表2｡

2.2 心肺运动试验与6min二级台阶试验基线资料比较见表3｡

在心肺运动试验中,男性最大摄氧量相对值和绝对值均大于女性(P<0.05),男性呼吸商与女性差异无显著性意义(P>0.05),男性运动结束后即刻心率与主观疲劳感觉(RPE)略小于女性(P<0.05)｡在6min二级台阶试验中,男性最大摄氧量相对值和绝对值均大于女性(P<0.05),男性运动结束后即刻心率明显小于女性(P<0.05),呼吸商和主观疲劳感觉略小于女性(P>0.05)｡6min二级台阶试验最大摄氧量相对值和绝对值均低于心肺运动试验(P<0.05),且运动结束后即刻心率也低于心肺运动试验(P<0.05),2.3 心肺运动试验与6min二级台阶试验测得最大摄氧量相关性分析心肺运动试验与6min二级台阶试验获得的最大摄氧量相对值呈正相关关系(r=0.851;P<0.01);心肺运动试验与6min二级台阶试验预测的最大摄氧量相对值亦呈正相关(r=0.867,P<0.01),6min二级台阶试验中一级台阶试验结束即刻心率和二级台阶运动结束即刻心率与心肺运动试验最大摄氧量相对值呈负相关(r=0.606,P<0.01;r=0.699,P<0.01),见图1｡

2.4 心肺运动试验与6min二级台阶试验相关指标的ICC一致性检验结果

心肺运动试验与6min二级台阶试验最大摄氧量相对值ICC一致性检验系数为0.859,P<0.01;该2种测试方法最大摄氧量绝对值ICC一致性检验系数为0.868,P<0.01,表明该2种测试方法测量最大摄氧量具有很好的一致性｡6min二级台阶试验中一级台阶试验结束即刻心率和二级台阶运动结束即刻心率与心肺运动试验结束即刻结束心率ICC系数分别为0.309和0.543,一致性程度分别为一般和中等(P<0.05)｡

2.5 不良反应

心肺运动试验过程中及结束后无晕厥､病情加重等严重不良事件发生｡

3.1 既往该领域研究的贡献和存在的问题

心肺耐力是指人在持续的身体活动中,循环系统和呼吸系统向机体输送氧气和营养物质的能力,其包括心脏射血功能､肺部转运氧的能力､血液循环系统运输氧的效率以及肌肉等组织利用氧气的能力｡最大摄氧量是反映心肺耐力的标准测量指标｡最大摄氧量测试分为直接测试法和间接测试法2种｡心肺运动试验作为最大摄氧量的直接测试方法,依据受试者在运动过程中气体代谢情况来计算最大摄氧量,精准可靠,能有效反映普通人群和病患心肺功能,在临床诊断､康复､科学健身领域应用较多,该方法局限是对测试人员及测试条件要求高,费用高昂,为极量测试负荷,受试者依从性差安全系数低｡因此间接测试法在实际应用中更为普及,其推测最大摄氧量的可行性源于摄氧量与工作负荷或心率之间存在的线性关系,因此通过采集受试者在不同工作负荷下的状态指标(如摄氧量,心率,主观感觉等),建立摄氧量与工作负荷或心率等参数的线性关系来推测最大摄氧量,如6min走､1500m跑､6min上下楼梯试验､20m折返跑､12min跑等均通过该原理进行最大摄氧量预测方程的建立｡但是以上测试均对场地有一定要求,因此上下台阶运动因可以动员全身更多肌肉增加耗氧量,且场地要求低､方便经济成为较好运动方式选择之一｡此次研究在选定运动方式的基础上,基于科学性和安全性考量,开发设计台阶运动测试方案对最大摄氧量进行预测｡

3.2 作者研究区别于他人他篇的特点

此次研究设计开发的6min二级台阶试验,是在单级台阶试验(如中国监测中台阶试验,哈弗台阶试验)基础上进行改良,设置两级台阶,一级台阶较低,二级台阶较高｡允许受试者有充分热身时间,有利于受试者心肺相关系统功能的调动,诱导其心肺耐力水平真实体现｡从数学推算角度来说,二级台阶测试中的一次负荷和二次负荷能够提供更多在低强度和中等强度中心肺的反应条件,也可以针对心肺耐力的低动员和中等动员进行不同层次的考察,在最大摄氧量的公式推算时能够纳入更多维度的数据,效果更佳｡对于运动时间的设置,国内外相关文献表明有效反映心肺耐力的试验时间一般为6min以上,此次试验过程中要求受试者一级台阶运动后,即刻在二级台阶上进行运动,不间断的上下台阶运动总计6min｡上下台阶需要克服自身体质量做功,单级负荷测试时间长受试者会感觉枯燥疲惫,依从性差,不利于推广,如哈弗台阶试验等｡对于上下台阶节奏设置,一级台阶和二级台阶上下台阶频率统一,均为120次/min,参考中国国民体质监测台阶试验频率,该频率经过大样本人群验证,节奏适中安全性高｡每级台阶运动时间一致且相对较短,对于完成测试的受试者来说为相同定量负荷(忽略体质量因素),测试结束后心率在160-172次/min之间,主观疲劳感觉为17左右,因此此次研究中6min二级台阶试验为亚极量定量负荷试验｡

此次研究分析心肺运动试验结果与6min二级台阶试验评价最大摄氧量一致性时,通过简单相关法和ICC系数进行结果统计｡以40-49岁中年人为受试者,结果显示通过心肺运动试验测得的最大摄氧量与6min二级台阶试验推算的最大摄氧量有显著差异性,但相关性高,二者测得最大摄氧量的相关系数r值达0.851(P <0.01),最大摄氧量相对值的相关系数为0.868(P <0.01)｡6min二级台阶试验推算最大摄氧量与心肺运动试验的最大摄氧量的ICC系数为0.859,2种方法最大摄氧量的相对值的ICC系数为0.867,表明两者方法测得最大摄氧量数据具有非常显著一致性,所以可以使用6min二级台阶试验来进行最大摄氧量的推算｡

同时,研究结果表明6min二级台阶试验一级台阶运动末心率和二级台阶运动结束即刻心率均低于心肺运动试验结束后心率,且与心肺运动试验最大摄氧量呈负相关关系,显示6min二级台阶试验负荷强度为低于受试者耐受极限,为亚极量负荷强度,许多临床及物理治疗师也认为,评定适宜负荷强度下患者和中老年人群的心肺工作能力比评价其极限工作能力更有价值和意义,这也体现了此次研究的初衷｡因此6min二级台阶试验一级台阶运动末心率和二级台阶运动结束即刻心率作为运动强度的间接评估指标,可以真实反映测试者应对日常非极限活动时的心肺功能｡

6min二级台阶试验与测试时间相同的亚极量负荷方案比较,其推测最大摄氧量有效性比6min上下楼梯试验略低,比6min步行试验有效性高｡6min步行试验适用范围一般为老年人群､康复患者以及体弱患者,因此强度较低｡6min步行试验类似间歇性运动,因此期间有较为激烈的连续蹬台阶阶段,因此对于40-49岁的成年人来说强度稍大,安全系数低,对楼梯高度也有一定要求,因此推广性稍差｡相比较而言,6min二级台阶试验强度适中,有效性相对较好,且台阶的高度和频率设置相对固定,因此实现测试标准化程度高｡

在推算最大摄氧量的二级负荷测试技术中,基于功率车和台阶的PWC170机能试验应用较为广泛｡但这2种测试中两级负荷测试之间有时间间歇,测试时长低于6min,且基于功率车的PWC170机能试验针对不同体力活动人群,其一级和二级负荷也不同,其负荷选择需要专业判断,对测试人员要求较高,测试成本高｡另外,受试者如果不能够按照功率车设定速度蹬车,效度会直接降低｡因此6min二级台阶试验相对来说,经济便捷,与日常上下楼梯运动贴近,更加生活化,也更易标准化｡测试时可同时设置多台,测试效率高,能够满足心肺耐力作为临床生命体征的应用｡

3.3 研究的局限性

6min二级台阶试验在测试过程中虽然一级､二级台阶的高度和上下台阶的频率固定,但受试者的身高和体质量有差异,因此受试者克服自身体质量在重心上下移动的过程中做功并不相同[40],因此对于最大摄氧量的结果处理中建议使用最大摄氧量的相对值进行评价判断,降低体质量因素的影响｡测试过程中,受试者虽然可以跟随节奏统一上下台阶运动,但如腿不伸直,踩踏台阶时只用脚尖而不是用脚掌,也会影响测试结果,因此受试者对测试细节的配合程度还是会对测试结果产生少许差异,对测试的有效性产生影响,因此测试前需要对受试者的蹬踏姿势进行标准化统一要求｡

3.4 研究的重要意义 

心肺耐力测评是目前临床医学､运动康复以及国民体质监控的重要应用指标,也是研究热点之一｡研究探讨了基于亚极量负荷设计开发间接测评心肺耐力的方法,简单经济便捷且有效｡新晋为临床生命体征之一的心肺耐力,其关注程度增加,测评需求逐渐增大,因此6min二级台阶试验预测最大摄氧量的方法从预测原理上将台阶做功和PWC170机能试验的公式结合推算并进行年龄修正,丰富心肺耐力预测理论,方法也具有重要的实际应用意义｡

结论:研究以最大摄氧量作为反映心肺耐力的评价指标,6min二级台阶试验与心肺运动试验的最大摄氧量相关性和一致性均较高,因此6min二级台阶试验可以作为一种评价心肺耐力有效方法进行推广应用｡