呼吸频率拐点判断无氧阈的可行性研究

孙 杨，高 玮，张 漓，魏文哲

无氧阈（Anaerobic threshold，AT）是指在逐级递增负荷运动中，当有氧供能方式无法满足机体完成某一负荷的能量需要，进而开始大量动用无氧供能的临界点［7］。该临界点对于评价有氧能力、制定有氧耐力训练强度、运动员选材和医疗康复等许多方面有着很强的理论和实践意义［6］。因此，虽然AT概念一直有争议，但对AT的判断方法和应用研究一直是运动科学研究领域的热点。研究者不断寻找准确、简便易行的AT检测方法，用以指导运动实践［6，13，21］。

目前，常用的AT检测方法主要有乳酸阈法、通气阈法、心率偏离点法、肌电积分阈法、近红外线光谱法、肌氧含量法等［1，6，9，13，21］。以上方法各有利弊，以心率偏离点（HRDP）推测AT为例，研究显示，HRDP推测AT 的准确性不如经典的AT检测方法（如乳酸阈法、通气阈法）。但是仍然有研究者进行相关研究，原因就在于HRDP推测AT的独特优势:操作简单，贴近运动实践。受试者只需佩戴一根胸带，即可通过终端设备接受心率（HR）数据。其他方法虽然各具优势，但是在简便性上都无法和HRDP相比，因为HR数据的获得可以在几乎不干扰运动的过程中完成。

前人的研究证实，在AT发生时，由于糖酵解供能比例增大，产生大量乳酸堆积现象。堆积的乳酸在碳酸氢盐缓冲系的作用下，生成大量的CO2和H＋，而CO2和H＋刺激了控制呼吸调节的外周感受器和中枢感受器，为了排出增加的CO2，呼吸加快、加深，引起通气量（E）骤然增加。而E的非线性增加是和呼吸频率（RR）和呼吸深度的变化直接相关。因此，研究者假设，AT时RR也会发生非线性变化，这种非线性变化也可作为评价AT的标志之一，继而在实验研究中予以验证。

随着科技的进步，出现了能够感受张力变化的弹性智能织物。这种弹性智能织物内置了张力感受器，可以通过胸廓的扩张与收缩来计算RR。该方法使RR测试的过程和HR的测试一样无创、简便。受试者只需要佩戴一根胸带或穿着弹力背心（智能织物制成），便可以在不受干扰的情况下获得RR数据，而无需佩戴面罩或取血，也无需受到连接仪器设备的限制。如果本实验的假设成立，那么，RR判断AT的测试过程一样简便、无创，而较HRDP推测AT更加准确、可靠。这种新的方法能够更贴近运动实践，更加准确和简便地判断AT。

为了验证RR判断AT的有效性，本研究对14名受试者进行了等级性递增负荷运动试验。测试了受试者的个体乳酸阈值（ILAT）、通气阈（VAT）以及达到ILAT、VAT时的多项参数，同步记录RR参数。对测试结果进行分析，探讨RR判断AT的可行性及有效性。

1 研究对象与方法

1.1 试验对象

某高校14名大学生男子篮球高水平运动员参加试验。其中，国家一级运动员6名，国家二级运动员8名。年龄18.8±1.3岁，身高192.5±5.4cm，体重93.6±13.2kg。受试者经一般身体检查，未见身体机能异常。

1.2 研究方案

1.2.1 试验方案

运动方案:采用功率车逐级递增负荷方法。起始负荷为90W，每3min递增30W，功率车转速为60rmp，最大递增7级负荷。受试者蹬功率车直至力竭或跟不上运动强度。

正式试验分2次进行，以验证RR和气体代谢参数的稳定性和重复性。2次试验间隔1周，除第2次实验不进行采血测血乳酸外，2次试验的运动方案、实验步骤、实验环境及条件、受试者完全相同。

1.2.2 指标采集

1.RR:受试者佩戴好可感受张力变化的弹性智能织物胸带，传感器通过胸廓扩张和收缩的次数计算受试者的RR，并将数据通过无线信号发送到与之相连接的接收装置（电脑、手机或手表），同步显示及记录RR的实时参数。

2.血乳酸:安静时、每级负荷后即刻、运动结束后的第2、4、6、8min分别采集指尖血样20μl，每次采血均在30s内完成，测定并记录血乳酸浓度。

3.VAT 及气体代谢参数及HR:采用Breath by Breath方法测试并记录安静及递增负荷运动中的气体代谢相关参数。测试前进行气体代谢仪温度、湿度、压力、气体流量、氧浓度、CO2浓度的校准。受试者佩戴好HR表带、气体代谢仪面罩，并连接好仪器设备，在确认各参数无异常后，开始按照预定的运动方案进行测试，同步采集气体代谢仪相关参数及HR。

RRBP、HRDP和ILAT、VAT 进行相关分析时，分别选取达到 RRBP、HRDP、ILAT、VAT 时各自对应的功率、、%max、时间4项参数进行相关性分析［4，5，12，19，26］。

1.3 测试指标的判断标准

1.RRBP:本实验只采用弹性智能织物法获得的RR参数与ILAT、VAT 进行比较分析。气体代谢仪获得的RR参数只作为评价测试RR准确性的标准使用。以测试时间为X轴，以RR为Y轴，在递增负荷运动中，形成RRTime变化曲线。RR出现非线性增加的拐点即为RRBP。

3.个体乳酸阈（ILAT）:使用stegmann标准计算并判断ILAT 值［13］。

4.HRDP:以负荷功率为X轴，以 HR为Y轴，随着测试功率的不断增加，HR逐渐升高，将随着测试过程中的HR依次标入图中，形成HR变化曲线，在某一点HR的增长减慢，形成拐点，即为HR拐点。

1.4 实验仪器

荷兰Lode公司Corival功率自行车；德国Cortex公司metalyzer 3B气体代谢分析仪；芬兰Polar公司的RS232心率表；美国YSI 1500血乳酸分析仪；美国Zephyr公司的BioharnessTM实时生理参数仪记录RR。

1.5 数据处理

所有测试结果用SPSS 12软件处理。实验结果用平均值±标准差（D）表示。对达到ILAT、VAT、RRBP、HRAT 时的功率、、%max、时间4项参数；前、后2次测试RRBP、VAT 的以上参数进行1S-K样本分布检验。检验其是否符合正态分布，如符合正态分布，则进行配对t检验，如不符合正态分布，则采用非参数检验来分析组间差异；以P＜0.05为显著性，P＜0.01为非常显著性。以LAT、VAT 时的功率、、%max、时间4项参数为自变量，RRBP、HRAT时的以上参数为因变量，分布进行Pearson相关性检验。以第1次测试RRBP、VAT 时对应的功率、、%max、时间为自变量，第2次测试 RRBP、VAT 时对应的以上参数为因变量进行t检验和Pearson相关性检验。

2 研究结果

2.1 不同方法判断AT时拐点的检出率比较

表1显示，HRDP的检出率较低，为57.1%，而其他方法的检出率都较高。提示递增负荷运动中，HR出现拐点的检出率较低，不太适于判断AT。

表1 本研究不同AT法ILAT、VAT、RRVT、HRDP出现拐点检出率比较一览表Table 1 The Relevance Ratio of Break Point for ILAT，VAT，RRVT，HRDP

2.2 弹性智能胸带法和气体代谢仪测试RR的相关性比较

用弹性智能胸带法测试RR值和用气体代谢方法测试RR值具有非常显著的相关性（r＝0.968，P＝0.000）（表2，图1）。运动过程中，两种测试方法的RR同步性也较高（图2）。

表2 本研究两种方法测试RR的相关关系一览表Table 2 Correlation Coefficients between Two Ways for RR

图1 本研究两种方法测试RR相关关系图Figure 1.The Diagram of Correlation Coefficients between Two Ways for RR

图2 本研究某一受试者两种测试RR测试法同步性比较图Figure 2.One Subject’s RR Tested by Two Ways

2.3 不同方法判断AT时对应参数的比较

2.4 RRBP、HRDP时和ILAT、VAT 时对应参数的相关性比较

同时出现HRDP和ILAT的受试者共8人，8名受试者 HRDP时和ILAT 时分别对应的功率、、%max、时间4项参数具有显著相关性，其相关系数分别为r＝0.696（P＝0.006）、r＝0.623（P＝0.017）、r＝0.682（P＝0.007）、r＝0.653（P＝0.011）（表4）。其相关系数低于RRBP和ILAT时上述参数的相关系数。

同时出现RRBP和ILAT的受试者共13人，13名受试者RRBP时和ILAT 时 分 别对应的 功 率、、%max、时间4项参数，具有非常显著相关性，相关系数分别为r＝0.926（P＝0.000）、r＝0.889（P＝0.000）、r＝0.851（P＝0.000）、r＝0.869（P＝0.000）（表3，图3）。

表3 本研究ILAT时、VAT时、RRBP时、HRDP时相关参数对比一览表Table 3 When Achieved at ILAT，VAT，RRBP，HRDP，the Parameters as P，%，max，and Time

表3 本研究ILAT时、VAT时、RRBP时、HRDP时相关参数对比一览表Table 3 When Achieved at ILAT，VAT，RRBP，HRDP，the Parameters as P，%，max，and Time

注:＊表示与ILAT相比，P＜0.05；△表示与VAT相比，P＜0.05。

表4 本研究RRBP、HRDP和ILAT、VAT对应参数相关性一览表Table 4 The Correlation Coefficient of RRBP，HRDP and ILAT，VAT

图3 本研究RRBP和ILAT的相关系数图Figure 3.The Diagram of Correlation Coefficients between RRBP and ILAT

同时出现HRDP和VAT 的受试者共8人，8名受试者 HRDP时和 VAT 时分别对应的功率、、%max、时间4项参数具有显著相关性，其相关系数分别为r＝0.708（P＝0.005）、r＝0.615（P＝0.019）、r＝0.703（P＝0.005）、r＝0.637（P＝0.014）。其相关系数低于 RRBP和VAT 时上述参数的相关系数。

所有受试者都出现了RRBP和VAT，14名受试者RRBP时和 VAT 时在功率、、%max、时间4项参数上具有非常显著相关性，相关系数分别为r＝0.919（P＝0.000）、r＝0.899（P ＝0.000）、r＝0.889（P＝0.000）、r＝0.875（P＝0.000）（图4）。

图4 本研究RRBP和VAT的相关系数图Figure 4.The Diagram of Correlation Coefficients between RRBP and VAT

2.5 RRBP重复性检测

表5 本研究前、后两次测试的RRBP，VAT相关参数比较一览表Table 5 The Related Parameters of the First and the Second Test for RRBP and VAT

表6 本研究前、后两次测试RRBP、VAT分别对应参数的相关性比较一览表Table 6 The Correlation Coefficients of the First andthe Second Test for RRBP and VAT

3 分析与讨论

3.1 弹性智能织物（内置张力感受器）测试RR的可靠性分析

人体呼吸肌收缩或舒张引起胸廓的扩张和收缩，从而吸入和呼出气体。理论上，胸廓的扩张和收缩与肺吸入和呼出气体几乎是同步进行的。因此，通过感受胸廓变化的感受器来测试RR在理论上是可行。

通过RR值来判断AT，首要条件在于测试的RR值准确、可信。弹性智能织物内置了超微的张力感受器，可以感受胸廓的张力变化，并藉此计算呼吸的次数和频率。这种弹力智能织物可以做成胸带、背心，因此，对受试者来说几乎不受运动限制。本实验以气体代谢仪测试的RR值为自变量，以弹性智能胸带测试RR为因变量，用以验证弹性智能胸带测试RR的准确性。实验结果显示，两种方法测试RR的相关系数高达0.968，具有很高的相关性。从图1可以看出，在运动过程中，二者同步性也很高。因此，可以认为，内置张力感受器的智能织物所测试RR值准确可信，其结果可以替代气体代谢仪测试的RR值。

3.2 RRBP判断AT的可行性分析

AT概念的基础在于在递增负荷的运动中，当运动强度增大到一定程度，以有氧供能为主的供能方式在这一强度上已经无法满足该强度对能量的需求，因此，无氧供能（糖酵解）的比例增大［24］。糖酵解过程在细胞质内完成，在提供能量的同时，产生了大量乳酸堆积的现象［3］。堆积的乳酸和体内的碳酸氢盐缓冲系统发生反应，产生了大量的CO2，CO2的浓度增加刺激了呼吸系统的外周感受器和呼吸调节中枢，使呼吸加快、加深，并产生了过度通气反应［8］。VAT的判断即通过此刻E，E／，CO2，相 对较大的变化（即拐点）进行判断［16，25］。乳酸阈的判断也是通过此刻血液乳酸浓度的急剧升高（即拐点）进行判断的［22］。

通气量和RR、呼吸深度直接相关，因此，在这一过程中，发生非线性增加的参数理论上还应该包括RR和呼吸深度。人体的呼吸调节主要包括外周调节和中枢调节。糖酵解供能比例增大时，产生了更多的乳酸，碳酸氢盐缓冲系缓冲激增的乳酸时，产生了PCO2和H＋浓度增加现象。PCO2刺激呼吸系统的外周感受器。而增加的CO2通过血脑屏障进入脑脊液，在碳酸酐酶（CA）的作用下生成H＋和CO3-，H＋刺激中枢神经系统的呼吸调整中枢。通过外周和中枢的刺激，使RR急剧增加。因此，在理论上RR也是非线性增加，会产生相应的拐点。本研究的试验也证实了这一点。在14例受试者的RR全部出现了明显拐点（图5）。

国外的研究也支持本实验结果。James报道了递增负荷运动中的RRBP现象，并将该拐点和E／拐点进行比较，发现两者没有显著性差异［20］。Carey的研究显示，在对呼吸拐点的判断中，经过简单培训后的3名判断者分别对26例样本进行目测判断RR-曲线的拐点，判断结果有较高的内部信度（r＝0.813）和外部信度（r＝0.827），并且同电脑判断RR-曲线拐点无显著性差异［19］。因此，Carey认为，目测判断RRBP有较高的可信度，对在递增负荷运动中出现RRBP这一现象少有争议。

图5 本研究某受试者RR拐点示意图Figure 5.One Subject’s Respiratory Rate Break Point

3.3 RRBP判断AT的可靠性分析

如前所述，理论上递增强度的运动中，会出现RR的非线性增加，即RR-Time曲线存在着拐点。本研究试验结果也证实了这一可能性，但RR的拐点是否可以判断AT，RRBP是否和ILAT、VAT 存在相关性。本研究通过RRBP和ILAT、VAT 发生时的相关参数进行统计学检验，予以进一步证实。

通常认为，ILAT、VAT 是判断AT的最佳指标。前人的研究显示，ILAT、VAT存在着高度的相关性［10，12，23］。 因此，本研究将ILAT和VAT 同时作为参考标准，以达到ILAT、VAT 时所对应的功率、、%max、时间4项参数的相关关系来验证RRBP判断AT的可靠性。不同判断AT方法的准确性主要从两点考虑，即差异性和相关性［9，11］。

从差异性上看，RRBP时和ILAT、VAT 发生时在功率、、%max、时间4项参数上无显著性差异（P＞0.05）。本实验的测试结果显示，不同测试方法发生拐点在时间上有一定的顺序性，依次表现为ILAT、RRBP、VAT、HRDP。虽然出现的时间没有显著差异，但是出现时间上的顺序性，其原因还需要进一步的研究。

RR作为单独指标判断AT在国内、外的研究中报道不多，这可能是由于测试仪器的限制。以往的研究中，RR参数主要通过气体代谢仪获得，在获得RR的同时，可以获得其他40余项呼吸气体参数。同E拐点以及其他呼吸气体参数相比，RR并没有优势。然而，还是有研究报道了RR判断AT的可行性。James的研究发现，RR发生拐点时的功率和VAT 时功率的相关性达到0.834［20］。James和Carey的研究发现，在呼吸气体参数指标判断AT上，RR 和E、E／并没有显著性差异［19］。

为了验证RRBP判断AT的重复性，进行了前、后两次运动方案完全相同的测试。测试结果显示，RRBP1、RRBP2和 VAT 1、VAT 2时，在功率、、%max、时间4项参数均无显著性差异（P＞0.05）。两次测试中RRBP和 VAT 分别对应的参数（功率、、%max、时间）都具有非常显著相关性。实验结果提示，RRBP判断AT具有较高的稳定性和重复性。

3.4 RR判断AT的实用性分析

自Conconi首次报道了用HRDP推测AT的可能性以来，有研究者对这一领域表现出了极大兴趣。关于HRDP判断AT的研究报道中，既有支持［9，12，15］，也有反对［17，18］。反对者认为，HR推测AT并不可靠，即使支持HRDP推测AT的研究结论也指出，递增负荷运动中HRDP的出现比例为50%～85%不等［4，14］，且一定程度上存在着拐点不易辨识的现象。即便如此，研究者们对HR判断AT的可能性仍然有较大的热情，其原因在于心率测试简便、无创，能够贴近运动实践，并指导训练。

内置张力感受器的弹性智能织物的出现，使RR的测试可以和HR的测试一样简便、无创，不受运动的限制。本研究结果显示，同HRDP相比，RRBP具有更高的稳定性、重复性，在递增负荷实验中，全部受试者的RR都出现了明显的拐点，而HRDP的出现率仅为57.1%。相关性检验的结果也显示，以功率、、%max、时间4项参数为指标，RRBP时与ILAT、VAT 时的相关性均高于HRDP与ILAT、VAT 时的相关性。提示作为评价AT的有效指标，RRBP的准确性和可靠性高于HRDP。

本研究的结果还显示，RRBP具有较小的离散性。所有受试者RRBP时的RR都出现在36～42次／min之间。这是否可以作为RR评定AT的判断区间，还有待进一步的研究证实。另外，有良好训练经历和无训练者在AT时的RR是否拥有同样的RR区间，这也有待实验的进一步证实。

需要注意的是，由于人体可以通过意识控制RR，因此，在运动中RR存在着受自主意识控制的可能性。在本实验中，每次测试后的调查问卷显示，受试者在测试过程中，由于注意力集中于完成运动负荷，并未有意识控制RR。但是，在运动实践中并不排除受试者主观控制RR的可能性。如何解决这一可能出现的问题也有待于进一步的研究。

4 结论与建议

1.内置张力感受器的弹性智能织物和气体代谢仪在测试RR上具有高度相关性。弹性智能织物测试获得的数据准确可信。

2.递增负荷运动中，全部受试者RR曲线出现明显的拐点，且RRBP和ILAT、VAT 高度相关，提示RRBP可作为评价AT敏感指标。该方法具有无创、方便简单的特点，具有向大众健身领域进行推广的实用价值。

3.递增负荷运动中，HRDP的检出率较低，HRDP推测AT的准确性和可靠性低于RRBP，提示HRDP在运动实践中推测AT只能提供参考作用。

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