运用受试者工作特征曲线对不同运动强度的心率变化率最佳临界点的研究

朱琳 陈佩杰

1广州体育学院运动与健康系（广州 510075）

2上海体育学院省部共建教育部运动健身科技重点实验室

3上海体育学院运动科学学院

体力活动是一种复杂行为，特别是儿童青少年的体力活动往往是零星和不规律的，难以精确测量。另一方面，体力活动水平与特定健康结果存在密切相关，精确估计身体活动可以了解剂量-效应之间的关系等[1，2]；可以评估慢性病的发展及预防干预对其产生的影响。例如，不同运动强度对身体产生不同效应，中低强度运动充分激活脂肪酶，增加脂肪消耗；中、高强度运动均能促进儿童心血管健康，但高强度体力活动对促进心血管健康更有利[3，4]。常用于体力活动测试的计步器和运动加速度计局限于很少的运动模式。心率是推算能耗的简便方法，也是提高评估身体活动准确性的有效手段，但安静心率个体差异较大，因此运动负荷心率在监测运动强度中也存在潜在局限性[4-6]，在区分运动强度方面存在不足。心率变化率（HR%）是运动负荷心率与安静心率的比值，可以排除个体间心率差异的影响，更准确反映相同运动量对机体产生的不同效应。此外，儿童青少年这一特殊群体，其体力活动的能量消耗（METs）会随着年龄的变化而变化。因此，有学者提出，未来有关儿童青少年的研究应该更好地分开不同年龄组来进行，这需要研究的样本量要足够大到可以分开不同的年龄，或者将研究重点集中在一个有限的年龄区间[7]。本研究将研究的重点集中在初中这个年龄区间，运用受试者工作特征曲线（ROC）分析HR%对运动强度的区分能力和低、中、高运动强度对应的HR%最佳临界点。不同运动强度的HR%最佳临界点的研究，对于准确预测儿童青少年自由生活状态下的体力活动水平，有效指导其健身运动，制定科学的体力活动指南及制定膳食指导都具有重要意义。

1 对象与方法

1.1 研究对象

招募66名年龄11～14岁（平均12.85±0.99岁）的健康中学生，其中男35人、女31人。所有受试者均无系统运动史，所有测试均在学生在校期内完成。受试者基本情况见表1。

1.2 研究方法

1.2.1 测试方案

正式测试前，测试者给受试者佩戴Cosmed K4b2气体代谢分析仪、面罩、POLAR心率表胸带的同时，戴好Actiheart仪器，并保持其记录时间与K4b2气体代谢分析仪同步。实验包括两部分测试，第一部分是自由状态下的测试；第二部分是实验室跑台测试，详见表2。

表1 受试者基本信息（）

表1 受试者基本信息（）

注：**P<0.01，性别间进行独立样本t检验。BMI：体重指数；REE：静息能耗；RMR：静息代谢率。

???? ???????n=35??n=31??n=66?????? 12.84–0.9912.87–0.9912.85–0.99???m? 1.62–0.10 1.57–0.06**1.60–0.08???kg? 55.6–11.0 48.9–9.1**52.5–10.7 BMI?kg/m2? 20.99–3.2219.84–2.8821.86–5.85 REE?kcal/min? 1.72–0.43 1.46–0.33**1.60–0.40 RMR?kcal/kg/min?0.031–0.0060.030–0.0070.031–0.007

表2 实验活动安排

1.2.2 Cosmed K4b2便携式气体代谢分析仪

间接测热法设计的间接能量测定仪是测定机体能量消耗的 “金标准”[8]，Cosmed K4b2（以下简称K4b2）（Cosmed，Rome，Italy）利用间接测热原理，通过分析每一口呼出气中氧和二氧化碳的含量，计算单位时间的能量消耗。现已证实其可有效测量各种运动强度的耗氧量[9]。研究提取原始指标VO2（ml/min）。

1.2.3 单轴生理信号加速度传感器（Actiheart）

Actiheart（Mini-Mitter Co.，USA）是一款整合了单轴加速度计和心率信号的新型生理信号加速度传感器。它借助导线将一个主传感器和一个辅传感器相连，主传感器通过电极片分别放置在V1和V2导联之间的中部，辅传感器通过另一电极片可以放在V4或V5的位置 （V1在胸骨右缘第四肋间，V2在胸骨左缘第四肋间，V4在左锁骨中线第五肋间，V5在左腋前线第五肋间）。通过自带数据分析处理系统（Actiheart Software Version 4.0.23）导出数据，并采集原始指标心率（HR，beat/min）。

1.2.4 数据简化方法

静息耗氧量（ml/kg/min）选取测试第16～20分钟数据[10]；广播体操总耗氧量（ml/kg/min）选择整个运动过程的数据；1分钟尽力跳绳运动时，机体无法获得充足的氧，只能在恢复期大量摄入氧补充运动中的氧亏，产生运动后过量氧耗，因此跳绳耗氧量（ml/kg/min）=（跳绳期平均耗氧量+恢复期平均耗氧量×恢复时间）/运动时间[11]；跑台走、跑运动耗氧量（ml/kg/min）选取每级运动的后两分钟稳态期的数据，第1～3分钟作为平衡期。跳绳恢复时间及运动稳态通过HR和VO2max确定，对于HR和VO2max的宽容度分别是±5%和±10%[7，10]。 不同运动的代谢当量（METs）[7，9，10]=运动耗氧量/静息耗氧量；HR%=（运动心率-安静心率）/安静心率×100%。运动强度分类标准为：静息能耗为1MET，小强度体力活动为1.5≤METs<3，中等强度体力活动为3≤METs<6，大强度体力活动为6≤METs<9，剧烈运动为METs≥9[7，9，10]。

1.2.5 受试者工作特征曲线

受试者工作特征曲线（receiver operating characteristic curve，简称ROC曲线）[12]的基本原理是通过判断点 （cut-off point）的移动，获得多对灵敏度（sensitivity）和误判率[1-Specificity（特异度）]，并以灵敏度为纵轴，以误判率为横轴，连接各点绘制曲线，然后计算曲线下的面积，以确定判断价值的方法。曲线下面积（area receiver operation characteristic curve，AUC）越大，则判断价值越高。 AUC<0.5表示无法准确诊断；AUC在0.5～0.7表示诊断准确性较低；AUC在0.7～0.9之间表示诊断准确性为中等[13]。

1.2.6 统计学分析

数据统计分析均采用EXCEL2007和SPSS 16.0完成。两组间比较采用独立样本t检验，设置P在0.05水平为差异有统计学意义。ROC曲线下面积用于诊断HR%区分运动强度的准确性；约登值=Sensitivity-（1-Specificity），其最大值用于确定不同运动强度对应的HR%最佳临界点。

2 结果

2.1 各活动项目HR和HR%分析

从表3可知，相同活动女性心率高于男性，且从不同活动的总体变化趋势看，除3 km/h（P>0.05）外，男女分别在4 km/h（P<0.05）、5 km/h（P<0.05）、6 km/h（P<0.001）、7 km/h（P<0.01）、8 km/h（P<0.01）速度的走跑运动中存在显著性差异。女性广播操（P>0.05）、1分钟跳绳（P>0.05）和3～8 km/h速度走跑运动（P>0.05）的HR%均高于男性，但无显著性差异。

表3 不同活动项目HR和HR%

2.2 不同运动强度HR%最佳临界点

由表4、图1～3可知，各运动强度心率变化率的ROC曲线下面积在小、中、大运动强度分别为0.733、0.784和0.892，均有显著性差异（P<0.001），且95%置信区间均不包含0.5，说明心率变化率对于区分不同运动强度具有较高的诊断价值。通过最大约登值确定3METs、6METs和9METs对应的HR%的最佳临界点分别为55%、97%和119%。

表4 不同运动强度对应的ROC曲线下面积和HR%的最佳临界点

图1 小强度运动心率变化率ROC曲线图

图2 中等强度运动心率变化率ROC曲线图

图3 大强度运动心率变化率ROC曲线图

3 讨论

3.1 心率和HR%特点

评价运动强度的传统方法有%VO2max、%HRR（HRR即心率储备，是最大心率与静息心率的差值）和%HRmax（HRmax为最大心率，通常用220减去年龄获得）。%VO2max是评价运动强度的最佳方法，但其测试较难，在日常评估中常用%HRR和%HRmax。有研究表明，测定同一运动强度时，%HRR总比%HRmax低10%～15%，存在一定的误差[14]，这可能是因为个体间静息心率差异较大。也有研究者对采用%VO2max和%HRmax等指标评价运动强度的准确性提出质疑[15]，认为相同%VO2max和%HRmax对个体产生的强度效应可能不同。此外，相同%VO2max和%HRmax强度下，有人可能高于有氧代谢阈值，而有人可能低于无氧代谢阈值。

心率容易获取，随代谢负荷增加呈线性增加，也是评价运动强度的常用指标。崔玉鹏等[16]研究证实，对于运动强度波动变化的活动项目，心率对运动刺激敏感，能较准确反映身体对运动负荷的反应。李海燕等[17]运用气体代谢分析仪MAX-Ⅱ对60名11～16岁肥胖青少年以2～8 km/h的速度进行的递增负荷跑台走跑运动测试（每级速度运动2.5分钟），也证实负荷心率和耗氧量高度相关，男性相关系数为0.807（P<0.01）、女性为0.755（P<0.01）。 国外学者也证实，监测心率可以评估自由活动状态或非自由活动状态下儿童的PAEE（physical activity energy expenditure）[18]。 也有大量研究表明，心率监测有几个重要的局限性。首先，心率与PAEE在低强度身体活动上相关性较低[5，6]。 其次，心率监测并不适合年龄特别小的儿童。Rowlands等[6]研究显示，年纪较小的儿童在不熟悉的环境下，在校准实验中，特别是需要戴上呼吸面罩测量VO2时，可能产生不安情绪；儿童身体活动的偶发性及心率对于某些短时间大强度活动（如跳绳）反应的滞后性，也可能影响其对间歇活动的评估[18]。但心率监测用于年纪较大的儿童和青春期人群，及那些经常从事较多样活动的人群特别适合，如经常参加骑脚踏车或登山等活动的人群[18]。此外，心率还易受年龄、性别影响，心率间个体差异也较大。本研究显示，相同运动项目男、女之间在4 km/h（P<0.05）、5 km/h（P<0.05）、6 km/h（P<0.001）、7 km/h（P<0.01）、8 km/h（P<0.01）速度的负荷心率均存在显著性差异，而男、女之间不同运动项目的HR%无显著性别差异（P>0.05）。加之本研究的受试者正值青春发育期，静息心率个体间差异较大，可能对负荷心率变化产生较大影响，综合两方面的因素，HR%比心率能更客观反映运动强度。

3.2 不同运动强度HR%最佳临界点的有效性

ROC曲线分析已广泛应用于临床医学、预防医学和健身指导等领域。运用ROC曲线确定最佳临界点，要求同时满足AUC在0.70以上、特异度大于敏感度和约登值达到最大值三个条件，方能保证最佳临界点有效[19，20]。 本研究的ROC曲线分析证实，不同运动强度下AUC在0.733～0.892（P<0.001），且95%CI不包括0.50，表明HR%对于区分不同运动强度具有较高的诊断价值。本研究显示，对于11～14岁中学生，小、中、大运动强度对应的HR%最佳临界点分别为55%、97%、119%。根据ROC曲线分析和最大约登值可知，小强度运动的HR%最佳临界值为 <55%，3≤METs<6中等强度运动的HR%的最佳临界值为55%≤HR%<97%，6≤METs<9大等强度运动的HR%的最佳临界值为97%≤HR%<119%，METs≥ 9剧烈运动的HR%的最佳临界值为≥119%。在对中学生日常体力活动的评估研究中，可将本实验确定的不同运动强度的HR%最佳临界值作为推算从事不同运动强度体力活动时间的重要依据。

4 总结

HR%可作为划分运动强度的有效指标，HR%最佳临界点是日常生活中确定不同运动强度的有效指标，小强度运动HR%<55%，3≤METs<6的中等强度运动55% ≤ HR%<97%，6≤ METs<9的大强度运动97%≤ HR%<119%，METs≥ 9的剧烈运动HR%≥119%。

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