基于肢体和心脏功能储备动用趋势的运动员体能评估五线图方法的初步研究

许定国，刘健明，赵艳霞，肖守中，唐 毅，胡香贵，田茂梅，江 坤

1.Chongqing University，Chongqing 400044，China；2.Dali University，Dali 671003，China；3.Chongqing Bo-Jing Medical Informatics Institute，Chongqing 400044，China；4.Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China.

1 前言

运动员竞技能力的重要决定因素包括爆发力和耐力。需要爆发力的典型实例是100m赛跑；需要耐力的典型实例是马拉松；而篮球、足球等运动项目，既需要爆发力又需要耐力。

关于运动员的爆发力，有的研究专注于肢体生物力学的分析，Taylor等［20］专门研究了3位飞人 Usain Bolt，Tyson Gay和Asafa Powel的短跑运动能力，主要应用弹性体模型（spring mass model）得出一些生物力学数据来分析他们的速度间的差异。另一些研究者除了肢体体能指标外，也关注心脏功能指标与爆发力的关系。Ben Abdelkrim等［6］分析了18名男性篮球运动员的竞技能力，主要应用时间-动作分析方法（time-motion analysis），并测试了心率等指标。Sporis等［18］用半蹲跳和下蹲跳指标分析了270名足球运动员的爆发力，还测试了耗氧量和最高心率等指标。

关于运动员的耐力，Pavlik等［16］特别强调耐力（endurance performance）主要受限于运动员心脏的特征。Amann［5］综述了肺功能对整体耐力的影响。Tanaka等［19］综述了峰值耐力随增龄的变化，概括了耐力的3个主要生理性决定因素：最大耗氧量，乳酸阈值和运动经济性。Hoff［11］特别强调耗氧量对于运动员有氧耐力的重要性，给出了一些国际足球队的平均耗氧量数据，其代谢当量值接近20METs。值得特别注意的是，一些研究者已经从分子生物学的角度研究了运动员的耐力与基因的关系［8，13，17］，并于本世纪初就观察到了ACE基因I／D多态性与人类耐力的关系［21］。

运动员的爆发力和耐力的研究具有高度的复杂性［12，15］，为得出较全面而适用于运动现场的结论，需要进行综合性的评估，包括对运动员的心脏储备的评估。但据本研究团队所知，在过去的这些研究中，无论是否关注了心脏功能与爆发力和耐力的关系，难于见到直接提及心脏储备功能对耐力的重要意义的探讨。

鉴于上述，特别是耗氧量和时间-动作分析方法的复杂性，乳酸阈值测试的有创性，弹性体模型得出的数据的推导性，不适于现场体能评估，本研究提出用一种安全、简易的、基于心脏储备变化趋势的方法来评估各种运动员的体能。

线图能用来表示某种现象在时间序列上的动态变化，或者某种现象随另一种现象而变化的趋势，或者某种现象在不同对象的不同情况。线的数目可根据所研究内容的数目而定，如Taylor［20］等比较博尔特等3位世界级短跑运动员的速度随时间的变化趋势时，用了三曲线图。本研究采用折线图来表示运动员肢体和心脏功能储备随运动量递增情况下的动用趋势，从而评估其体能状态；由于所关注的5个指标对于评估体能状态有重要意义，故构建五线图来表示这5项指标随运动量递增情况下的动态变化。

2 研究对象和方法

2.1 研究对象

15名足球运动员（A组，男，19～21岁）和18名非运动员（B组，男，18～20岁）自愿参加该项研究。A组为大学体育教育专业足球专项学生，训练年限1～3年；B组为普通院系学生，平时较少参加体育锻炼，以静态生活方式为主。获知本研究实验内容和过程后，所有受试者自愿参加本研究并签署知情同意书。

2.2 研究方法

A组和B组分别进行登梯试验，根据总运动量7 000J，平台高度（0.23m）和体重（kg）确定登梯次数；试验按运动量1 750J，3 500J，5 250J和7 000J分为4个阶段。运动前和每一运动阶段结束即刻记录心音图。总运动量7 000J的确定：人群中的峰值运动量各个不同，若用体能最高者能承受的峰值运动量进行人群体能评估，方案不能普及；故选择一个亚极量运动量进行体能评估。本研究选用的总运动量7 000J，属亚极量，在《ACSM运动测试与运动处方指南》［3］的推荐范围内，能为普通人群所承受。不同研究者在登梯试验中所选用的台阶高度各有不同［3］，为比较和交流方便，采用医学界二级梯的梯高试验的梯高（0.23m）。登梯次数的计算符合国际惯例［3］，由总运动量，台阶高度和体重决定。

按运动量1 750J，3 500J，5 250J和7 000J分为4个阶段的方案由本团队提出，并常规应用于多项研究中［2，22-24］。

用肢体和心脏功能储备的5个指标进行体能的综合分析：1）登梯运动中的人体功率输出（Power）；2）登梯运动的代谢当量的评估值，公式（美国运动医学学会，ACSM）：˙VO2（ml·kg-1·min-1）＝0.2（steps·min-1）＋ （step height，m ×steps·min-1×2.4）＋3.5，代谢当量（MET）＝ ˙VO2／3.5，该公式的准确性已经被验证［14］；3）第1心音幅值／第2心音幅值比值（S1／S2）：关于心音和心肌收缩能力关系，国际上已经进行了一些重要的动物实验以及有创性和无创性临床对照研究，奠定了第一心音幅值的大小与心肌收缩能力强弱密切相关这一结论的坚实的理论基础，并提供了可靠的实验依据。特别是Hansen等［9］选择dP／dt等指标利用6只狗研究了麻醉剂和强心剂对第一心音强度和心肌收缩力的影响，结果表明，“第一心音幅值的变化和左心室压力上升最大速率的变化呈正相关（r＝0.9551，P＜0.001）”；而第二心音（S2）能反映外周循环压力的变化［7］，基于上述，S1／S2比值可以作为一个心脏-外周循环功能的综合性评估指标。近年来，加利弗尼亚大学心脏科 Hsieh［10］的小组也开始了这方面的研究，鉴于第一心音是左心室收缩状态的直接表现，可用S1对S2的相对幅值即S1／S2比值来研究左心室收缩功能。4）心脏舒张期时限与收缩期时限的比值（D／S）：Abe［4］简要地说明了心肌血液灌注的这个重要机制，即冠脉血流主要出现在每个心动周期的舒张时相，基于此，我们提出D／S比值指标来评估心脏供血时间是否充足［22，23］，它也是一个心脏储备指标，因为它关系到舒张期能为心脏收缩储备养料和氧气的多少，关系到心室的充盈和心输出量的大小；5）心率（HR）。

以运动量作为横坐标，上述5个指标作为纵坐标，绘制5个测试点数据的五线图。测量对应于1 750J的线段与横坐标轴（X轴）的夹角；比较5线的走向和点数据的大小，进行受试者运动能力的分析。计算出每个受试者各运动阶段登梯运动的速度，用登梯次数／min来表示；比较两组在运动速度方面的差异。在肢体和心脏功能储备动用趋势的线图表示中，可以用这些线条与横轴的夹角的大小来表征功能储备动用的快慢，肢体和心脏功能储备动用越快，对应的夹角越大，即对应的线条的陡峭度越高；由于这种陡峭度的高低反映功能储备动用的快慢，本研究［25］提出用它来作为评估运动员爆发力的一个指标。这种角度测量的精度在一度以内即可，用量角器即能完成。

3 结果

受试者运动量递增（1 750J，3 500J，5 250J，7 000J）的登梯试验的 Power，MET，S1／S2，D／S和 HR数据和描述性统计分析示于表1。

生成了受试者运动量递增的登梯试验的Power，MET，S1／S2，D／S和 HR 五线图（图1）。

受试者（A组和 B组）完成1 750J运动量时Power，MET，S1／S2，D／S和 HR五线与 X轴的夹角分别是76°，72°；75°，71°；38°，35°；-8°，-6°；55°，54°。A 组 的 Power，MET，S1／S2，和 HR四线与X轴的夹角都大于B组，而A组 的D／S线与X轴的夹角小于B组（图1）。

表1 本研究两组受试者运动量递增的登梯试验的Power，MET，S1／S2，D／S和HR数据和统计分析一览表Table 1 Data of Power，MET，S1／S2，D／S and HR at Rest and Different Exercise Workload Levels of Two Groups

图1 本研究受试者体能评估五线图Figure 1. Five-Line Graph for Evaluating Fitness of Two Groups

表2 本研究A组和B组在4个运动阶段的速度一览表（登梯次数／min）Table 2 Data of Velocity at Different Exercise Workload Levels of Two Groups（times／min）

此外，A组 和B组中静息状态下D／S比值≥2的人数为10∶1。

4 讨论

表1和图1表明，不同受试者在相同运动量下Power，MET，S1／S2，D／S和 HR数据呈现有一定趋势的差异。从表1可知，A组在各个运动阶段Power，MET，S1／S2和D／S数值都高于B组，其中两组Power，MET，D／S值的差异具有显著性；而B组的HR值高于A组。图1形象地表示出受试者的体能状态，即肢体和心脏功能储备的动用趋势。

在整个运动试验过程中，两组受试者的Power和MET均在1 750J运动量下达最高值，之后则随运动量增加而呈现下降趋势。图1显示，受试者完成1 750J运动量时A组、B组的Power线与X轴的夹角分别是76°，72°，表明A组骨骼肌爆发力较强，由于骨骼肌耗氧量大，代谢当量亦维持相应较高水平。其后三个运动阶段，随运动量递增，功率输出Power持续下降，表明随运动持续，受试者骨骼肌，尤其是下肢骨骼肌，出现疲劳。但每一运动阶段，A组的Power和 MET均显著高于B组（P＜0.01），且A组在7000J运动量时的 Power和 MET （151.84±16.80，15.03±1.04）仍与B组受试者1 750J运动量时的 Power和 MET相近（153.59±20.19，15.42±1.81），提示 A组的骨骼肌速度耐力（speed-endurance）优于B组。

表1还显示，两组受试者D／S均随运动量的增加而降低，表明随运动强度增加舒张期心脏自身供血时间缩短，这是心脏负担加重的表现。但静息状态及各运动量下，A组D／S均明显高于B组（P＜0.01）；且A组在运动强度增至5 250J运动量时D／S开始低于1，而B组在运动强度增至3 500J运动量时即开始低于1，表明随运动强度递增，运动水平低的人心脏较早出现供血时间明显缩短。

1 750J、3 500J运动量下，A 组 S1／S2比值虽略高于B组，但无统计学意义。5 250J运动量下，B组的S1／S2低于A组（P＜0.05），可能与此阶段该组受试者D／S已低于1，心脏供血不足引起心肌收缩能力明显下降有关。图1显示，1 750J运动量时A组、B组的S1／S2线与X轴的夹角分别是38°和35°，表明A组输出功率较高，心力储备上调速度也较快。

无论是A组还是B组受试者，在整个运动试验过程中心率均随运动量的增加呈现增高趋势，比较两组的HR线，走向趋势类似。静息状态、3 500J、5 250J和7 000J运动量下，A组心率均明显低于B组（P＜0.01）；在1 750 J运动量下A组心率亦低于B组，但差异不具显著性（P＝0.173，表1）。图1HR线显示，1 750J运动量时 A 组、B组的HR线与X轴的夹角分别是55°和54°，差别较小；但运动后期B组心率随运动量递增上升较快（5 250J运动量下就已超过180次／min），提示运动能力越低，运动过程中越较多的依赖于动用其心率储备，这与胡玉玺等的报道［1］和本团队过去的研究结果［2］基本一致。

A组和 B组完成1 750J运动量时Power，MET，S1／S2，D／S和 HR 五线与 X 轴 的夹角分别 是76°，72°；75°，71°；38°，35°；-8°，-6°；55°，54°；A 组 的 Power，MET，S1／S2和HR四线与X轴的夹角都大于B组。这在一定程度上反映A组的爆发力强于B组。

A组 和B组中D／S比值≥2的人数为10∶1，表明经常参加体力活动能升高D／S比值，使心脏自身供血时间更充足，这有利于心脏健康。

从表2可知，各运动阶段A组和B组每分钟登梯次数分别为83，68；79，64；71，56；66，48；即 A 组在每一运动阶段的速度都高于B组（P＜0.001），且A组在完成最大运动量（7 000J）时的速度（66次／min）与B组在完成最小运动量（1 750J）时的速度十分接近。这也表明，A组的速度耐力明显优于B组。

5 结论

本研究认为，完成1750J运动量时Power，MET，S1／S2，D／S和 HR五线与横坐标的夹角可能有益于评估受试者的爆发力；该5线的走向和点数据的大小可能有益于评估受试者的耐力；该研究的方法安全、简易，能在运动现场测试运动员体能，有益于运动员的选拔、训练指导和竞赛安排。本次研究的局限性在于样本量相对较小，因此在后续研究中应按照循证医学大样本、多中心的原则扩大调研人群。

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