Ramp与GXT两种递增负荷模式在VO2max直接测试中的比较研究

胡国鹏　王振　刘无逸　冯魏　孟妍

摘要：比较连续斜坡式递增负荷模式（Ramp）和连续分级递增负荷模式（graded exercise text，GXT）在最大摄氧量直接测试中的生理变量变化特征。方法：对20名体力活动良好的男性受试者分别进行3次不同负荷模式的极量力竭测试，3种负荷模式分别为GXT、Ramp和105%最大负荷持续运动（constant exercise test，105%CT）。结果：Ramp与GXT测试结果相比，两测试中最大摄氧量（O2max、O2max/kg）高度相关（r=0.726～0.882，P<0.01）且无显著性差异（P<0.01）；而最高功率（Wmax）、血乳酸（La）均表现为Ramp测试值低于GXT测试值；两测试时长（T）高度相关且Ramp测试值较短；Ramp测试中O2max、O2max/kg、最高心率（HRmax）、呼吸商（RER）和105%CT测试中值无显著性差别。GXT、Ramp两测试中，根据平台定义不同所达到平台的百分比不同。结论：在同样的平均递增负荷幅度下，两负荷方案对不同峰值参数存在不同影响；Ramp可作为直接测试最大摄氧量替代方案，并且所达到的峰值功率及时间较低、较短；依照最大摄氧量不同平台判定标准，平台出现概率受测试方案及判定标准影响较大，ACSM推荐的平台标准不适用于Ramp测试。

关键词： 最大摄氧量；摄氧量平台；GXT； Ramp

中图分类号： G 804文章编号：1009783X（2016）02015605文献标志码： A

Abstract：the physiological characters were compared in the two incremental exercise test models of Ramp and GXT；Method：20 activity male subject were Recruited and done three exhausted exercise text including GXT ，Ramp and 105%CT。Result：There is high correction（r=0.726～0.882，P<0.01） between the GXT and Ramp in O2max 、O2max/kg and no significantly difference between them（P<0.01）.But the values of the Wmax and La were lower in the Ramp than in the GXT.The period time was high correctional between the tests and the period was longer than in the GXT.There was no significant difference in O2max、HRmax、VEmax between the GXT and 105%CT. Different percentages of O2 plateau was existed basing on different criteria in GXT and Ramp.Conclusion：There was the same step stressing effect in the Ramp and GXT and no significant difference of maximal oxygen uptake .There were different percentages based on different criteria about O2 plateau.O2max plateau was affected by the criteria and the exercise model.

Keywords：maximal oxygen uptake；oxygen uptake plateau；GXT；Ramp

自1923年Hill提出最大摄氧量（maximal oxygen uptake，O2max）概念以来，该领域研究不断被完善，并始终是运动生理学研究和应用中的重要内容，O2max的测试也被广泛应用在心肺机能评估与诊断中。通过不同负荷方式刺激机体生理机能并诱导机体力竭是直接测试最大摄氧量的基本理论要求。在不同的负荷模式中，分级递增负荷方法（graded incremental exercise test，GXT）是最为传统与经典的负荷方式，例如Astrand 、Bruce方案等，其特点是每一级别负荷持续2～3 min，负荷随级别增加而不断增加；而斜坡式递增负荷测试（ramp incremental exercise test，Ramp）是以功率1～5 s内连续小幅度增加为特征的负荷方案，该方案提供了连续的、多频率的负荷递增模式，使整个摄氧量随功率的增加呈线性关系。该负荷方式早在20世纪70年代起主要应用于运动中耗氧动力学（oxygen uptake kinetics）研究[12]。虽然在20世纪80年代也被应用到最大摄氧量的测试研究中[3]，但因传统的GXT评测方法日渐成熟，该方法并未引起足够重视。而在近年，随着科学技术的不断发展，最大摄氧量的测试方法、呼吸气体采集分析手段等也发生了重大的改变，对最初的最大摄氧量相关理论如摄氧量平台问题（O2 Plateau）等提出众多质疑[45]，而Ramp方案在直接测试最大摄氧量的方法学研究中逐渐被重视。在对最大摄氧量测评的众多质疑中，测试负荷模式是引起争议的重要因素之一。

很早就有研究认识到，不同负荷功率仪如功率车和跑台测试中达到的最大摄氧量不同，同一受试者在其他相同条件下跑台测试要比功率车上的高。而就同一功率仪而言，不同负荷模式达到峰值生理参数的比较研究并不多。Bentley等研究中通过在功率车上不同负荷台阶（60 s与180 s）递增模式来分析对峰值参数的影响，发现不同时间长度的台阶负荷对峰值摄氧量无显著影响；但是对峰值功率及通气无氧阈存在影响，并认为对于优秀运动员来讲，3 min负荷时间获得峰值功率对成绩具有好的预测性[6]。Zuniga等[7]、MIOSZ[8]等通过分析GXT与ramp测试中的峰值参数也认为，负荷模式的不同可导致峰值参数的差异，但上述研究的负荷模式、受试对象的不同还不足以分析模式不同的具体原因。而就达到的摄氧量平台来讲，有研究认为在平台随着平均时间间隔增加而出现频率减少，但达到的平台摄氧量也随之减少[9]。研究证明，斜坡负荷在测试心肺耐力方面有着较为广泛的适应性，尤其是患有心脑血管疾病的病人，同时，斜坡负荷运动在测试中所反映的摄氧量应答参数对于机体生理机能的评估中有着重要的参考意义[10]，如氧耗效能坡度（oxygen uptake efficiency slope） [11]等。Ramp测试方案中因连续小幅度递增负荷的特征，在多数研究中并未出现传统意义上的平台现象。而最近，Rossiter等[12]创造性地提出105%～110%最大负荷重复测试的方式来确认平台现象，为Ramp直接测试最大摄氧量提供了新的思路；因此，基于上述已有发现，本研究通过比较GXT和Ramp中2种负荷方法在直接测试最大摄氧量各生理指标变化特征的基础上，探讨Ramp负荷模式在测试最大摄氧量中的特点，为心肺机能的评测提供参考。

1研究对象和研究方法

1.1研究对象

筛选出符合研究要求的无心脑血管疾病史及症状、体力活动良好的20名男性受试者，在受试者了解测试内容并明确其中风险与义务的情况下签订知情同意书。受试者基本资料见表1。

1.2实验方法及流程

20名受试者共进行3次不同负荷方式的力竭测试（其中第3次力竭方案属于方案2的测试内容之一），每次测试之间间隔48 h以上[78，13]，恢复期采取推拿按摩、热水浴等积极的恢复方式。力竭测试负荷方案如下。

负荷方案1：连续分级递增负荷方案（GXT）。功率自行车初始功率设定为100 W，100 W蹬车2 min后，每2 min增加40 W直至受试者力竭[14]。

负荷方案2：连续斜坡递增负荷方案（Ramp）。功率自行车初始功率为40 W，2 min后功率每3 s增加1 W（20 W/min），方案1和方案2中平均每分钟增加功率相同，即20 W/min 。

负荷方案2完成后，积极恢复48 h后进行1次105%Wmax持续负荷力竭测试（105%Wmax constant test，105%CT）；该测试为判断负荷方案2中最大摄氧量的补充测试[12，15]。测试中功率车功率30 s内增加到个人105%Wmax，运动至力竭。105%Wmax负荷由第2次Ramp负荷方案中摄氧量和功率的线性关系，推测105%O2max时的功率，记做105%Wmax。

每次力竭测试之间禁止大强度运动，测试前1 d禁止饮酒及熬夜。正式测试前1周，20名受试者分别在不连续的3 d到实验室体验2种测试方案并确定功率自行车的高度等参数。测试中，受试者始终在同一台功率车上并保持功率车高度等参数始终相同，功率自行车踏频维持在60 r/min。正式测试前，受试者进行5 min常规准备活动和拉伸。测试中用心肺测试系统（Cosmed K4B2）收集呼吸代谢气体进行分析。每次测试前1 h，测试系统按照仪器使用说明进行预热及室内气体、标准气体、呼吸延迟时间、标准气体容量等调试。Monark 894E功率自行车提前设定好每位受试者测试方案并保存。正式测试开始后，受试者佩戴好Cosmed K4B2系统上功率自行车进行正式测试，测试过程中，监测O2、RER、HR等信息，若发现HR及受试者表现异常时立即终止测试。测试中给受试者提供RPE量表记录测试者各个时间段的RPE值（7～20）作为判断是否达到最大摄氧量的一个参考值。受试者运动到力竭并并经鼓励不能继续运动时及时停止功率自行车、K4B2主机及PC端，在运动完1 min内用H/p/cosmos血乳酸测试仪进行血乳酸测试，测试时用干净棉签拭去第1滴血后再次采样测定。血乳酸试剂条按照要求温度保存，使用前30 min将其取出置于常温环境中，测试前对H/p/cosmos血乳酸测试仪试剂条进行标样测试。

力竭判断标准：经鼓励无法继续运动，踏频连续30 s内达不到50 r/min；同时3个评定员根据受试者出汗量、呼吸频率、呼吸商、自我疲劳指数等进行互盲评定，3个测评员同时判定受试者力竭视为完成测试，否则判定测试失败。

最大摄氧量判定标准如下。

第1类标准：受试者力竭并经鼓励无法继续运动，呼吸频率及节奏发生明显变化，且3位评定员互盲评定均为力竭。

第2类标准：Ⅰ.HR超过180次，不随强度的增加而增加；Ⅱ.RER大于1.1；Ⅲ.血乳酸大于8 mmmol/L；Ⅳ.RPE大于17。

在满足第1类条件的基础上，同时满足第2类标准中的3条者，取其最后3 min呼吸气体代谢数据进行10 s间隔平均，其最大值表示为O2max、VEmax、RPEmax、HRmax等。

1.3主要实验器材

呼吸气体代谢分析系统（Cosmed K4B2，意大利），身体成分测试分析系统（SlimmanagerN40，韩国），功率自行车（Monark 894，瑞典），运动跑台（H/p/cosmos，德国），血乳酸测试仪（H/p/cosmos，德国），Polar心率表等。

1.4主要测试及观察指标

摄氧量（O2）、二氧化碳排出量（CO2）、通气量（V）、每分通气量（VE）、呼吸频率（Rf）、呼吸商（RER）、 耗氧效率（VE/O2）、心率（HR）、血乳酸（LA）、最高功率（Wmax）、运动时长（T）、Borg疲劳指数（RPE）等。

1.5数理统计法

根据研究需要及实验设计，对测试中收集的数据应用SPSS 20.0统计软件对实验数据进行配对t检验及相关分析，数据表达为平均值±标准差，数据小数点后保留0～3位。

2结果

2.1GXT和Ramp两递增负荷测试实验结果分析

2次递增负荷测试，最大摄氧量相对值和绝对值中、高度相关（r=0.726～0.882，P<0.01）且无显著性差异（P>0.05）；而最高功率、运动时长呈中高度相关（r=0.777～0.792），但均表现为Ramp均值较低，且差异十分显著（P<0.01）；与GXT测试相比，LA水平在Ramp测试中水平偏低而RER水平偏高，显著差异（P<0.05），见表2。

2.2Ramp测试和105%CT测试结果分析

在以105%Ramp最大功率持续负荷的力竭测试中，仅有12位受试者达到实验要求（多数受试者因大腿局部疲劳未能完成测试），其中：同时完成Ramp测试和105%CT测试的受试者为11人。从统计结果来看，O2max、 HRmax均无显著差异，105%CT测试中，La略高，差异显著（P<0.05），见表3。

2.33次测试摄氧量平台出现概率分析

按照不同的摄氧量平台定义，3个测试中，仅有GXT测试模式满足ASCM判定平台要求，即分级递增负荷，每个负荷级别持续2～3 min，而在此条件下，平台出现概率为75%（占完成实验要求人数），而Ramp测试中，平台按照3个连续10 s时间间隔O2<150 mL来判定，出现概率为47.1%，按照Rossiter[12]斜坡测试中定义平台的方法，所有同时完成Ramp及105%CT测试者均达到平台（100%），见表4。因105%CT测试不满足当前平台出现的试验要求，在此未进行统计。

3分析与讨论

3.1Ramp与GXT对峰值摄氧量等相关参数的影响比较

当前最大摄氧量测试方法，按照原始数据的获取方式分为直接测试和间接测试推算法，按照测试过程中负荷的特点分为传统的持续分级递增运动负荷法（GXT）和斜坡式递增负荷法（RXT），按照负荷时的测试工具，一般分为跑台测试、功率车测试、场地测试、台阶测试等[16]。而在直接测试中，根据其呼吸代谢气体采集方式又可分为杜哥拉斯袋法（dugeLas bags）、混合气室法（mixing chamber）及每口呼吸式（breath by breath）等，在上述测试方法中，每口气法又是目前最为广泛的气体采样模式。正因为上述种种测试方法学上的多样性，造成最大摄氧量测试中结果的差异及分析对比的困难。鉴于当前对最大摄氧量判断标准的质疑，本研究在结合ACSM[17]提出的最大摄氧量测试判定标准的基础上，把受试者运动到力竭作为首要判定标准，除了满足力竭的客观标准外，在研究过程中，对3名实验人员进行培训，并采用互盲评定来判定受试者是否力竭。为保证其准确度，3个评定员有1位出现异议，即判定该受试者未完成实验要求，舍弃其实验数据，这种判断方式保证满足最大摄氧量测试中最重要的力竭要求。

从2种递增负荷模式所诱导的生理极值来看，两测试结果O2max、O2max/kg呈中高度相关（r=0.777～0.932，P<0.01），两测试最大摄氧量绝对值及相对值无显著差异，这和Bentley[18]、Zuniga[7]等的研究结论相同。Zuniga的研究中比较了不同亚极量功率下受试者的O2、HR及RPE，发现除了RPE外两者均未见显著差异，这表明2种负荷模式对机体的生理刺激具有同步效应。从理论上讲，同一负荷测功仪下如功率车或者跑台，只要受试者能够达到同一极限力竭水平，其生理峰值不会因负荷模式的改变而改变。而从另外一个角度讲，测试模式的效率取决于达到生理极值的时间、机体疲劳感（RPE）、最大物理负荷等参数，但这些参数在不同的研究中存在较大争议。Milosz等研究发现最大摄氧量、最大通气量、最大呼吸商、最大心率及最高负荷，Ramp测试值均高于分级递增负荷运动模式[8]。即使在Zuniga等的研究中，虽然最大摄氧量无显著差异，但最大功率值Ramp测试要大于GXT测试。而在本研究中，从GXT与Ramp两测试实验数据分析情况来看，两者Wmax、运动时间（T）呈中、高度相关（r=0.777～0.932，P<0.01），但Ramp测试值低于GXT测试值，分析不同研究中截然不同的结论，可能存在2种原因：递增斜坡方案不同，本研究中Ramp方案平均每分钟累计递增值和Miosz的研究并不相同（20 W/min与30 W/min）；另外，Miosz等的研究中2方案平均每分钟递增功率不等值（Ramp：30 W/min；GXT：40 W/3 min），而本研究及具有相似结论的Zuniga研究中，各自研究中的2方案平均每分递增幅度也不相同（20 W/min与15 W/min），我们推测这可能是引起不同结论的重要原因所在。这也提示，2种测试方案中功率递增幅度影响最大功率参数及力竭时间。在同样的平均递增幅度下，斜坡方案测试中最大功率及测试时间要低，但所引起的机体疲劳深度要高，这也可能是Ramp测试模式的优势所在。而在Zuniga的另外一项研究报告中也指出，2种负荷模型的骨骼肌电生理模式也有所不同，通常情况下，Ramp的骨骼肌电生理信号EMG振幅、O2及HR值均较低[19]。

就峰值功率来讲，也有研究表明，功率车的选择也可能影响测试结果，例如电动阻力功率车输出功率不受踏频影响，而这和机械阻力功率车并不相同[20]。Morton[21]通过数学模型推导认为，斜坡测试的最高功率受递增坡度影响，递增坡度越大或陡峭（steeper ramp exercises），其最终的峰值功率可能越大，并且影响耗氧动力学，而且这一结论也得到Alessandra[22]的研究证实。从耗氧动力学来讲，初始功率、递增坡度是影响其相关参数的重要原因[2，10]，因此，对于同一测功仪上的2种负荷模式，只要诱导机体力竭，所达到的最大摄氧量并无显著差异；但是，达到该应激的物理过程并不相同，也因此，对于力竭的判断显得尤为重要，Ramp测试方案的相对标准化是未来重要的研究方向。

3.22种负荷模式中摄氧量平台的影响因素

最大摄氧量测试中的摄氧量平台现象是一个争执很久的问题，Hill最早把观察到的这种现象描述为“Apparent steady state （i.e.a plateau）”，Hill、Astrand、Taylor及Wyndham等在该领域做了大量的工作，并不断推动最大摄氧量测试中的判定标准的标准化；但是从目前的研究报告来看，摄氧量平台出现的概率在33～94%，且受平台的判定标准、测试方案及受试者影响[23-24]。鉴于上述情况，本研究中，我们按照Hill最初的实验要求，把受试者运动到力竭作为达到最大心肺潜能的首要标准。在满足上述要求基础上，参照ACSM推荐的平台标准及其他平台标准设定，发现按照ACSM标准，GXT测试中有75%的受试者达到平台要求，而对于Ramp测试，因负荷连续变化，假定机体在极限负荷下运动的时间不超过30 s，结合ACSM推荐标准，把平台定义为连续3个step（10 s）内不超过150 mL/min，发现有47.1%的受试者达到平台要求；如果结合Rossiter[12]等研究斜坡方案平台判定方法，本研究发现所有受试者都达到了该平台定义要求。由此可见，最大摄氧量平台的出现是依据平台的判定标准而出现不同的概率。David[25]的研究就发现，把摄氧量平台或者其他RER、LR、HR两者其一作为判定最大摄氧量的标准，把已达到或未达到的纳入到标准中去都可能造成评估失误；因此，正如Tudor Hele所言，“把个体间差异考虑进去，满足所有判定摄氧量标准的单一测试方案几乎是不存在的……”。彭莉等[4]也认为，在判定O2max出现的指标比较一致包括摄氧量平台、RER、HRmax、LA阈值及主观感觉力竭，但各指标的确定标准尚不统一，各研究采用的判定指标数量不一，在实际测试中都存在标准达不到的现象，这直接影响了O2max测试结果的准确性与可信度。因此，有必要加强对O2max判定标准的研究，包括：制定判定O2max的统一标准或者统一不同测定模式下、针对不同人群的不同标准；从测试方法与指标取值方法方面加以改进，寻找能增加摄氧量平台出现和达到其余指标标准的方法手段；在标准未统一前，研究者应详细、准确报告实验中所使用的负荷模式、观察指标、指标选择的依据及判定方法，而这也是当前众多涉及该指标测试的研究中所忽视的。

4结论

1）在同样的平均递增负荷幅度下，两负荷方案对不同峰值参数存在不同影响；Ramp可作为直接测试最大摄氧量替代方案，并且所达到的峰值功率及时间较低、较短。

2）依照最大摄氧量不同平台判定标准，平台出现概率受测试方案及判定标准影响较大，ACSM推荐的平台标准不适用于Ramp测试。

参考文献：

[1]HUGHSON R L，INMAN M D.Oxygen uptake kinetics from ramp work tests：variability of single test values[J].J Appl Physiol，1986，61（1）：373.

[2]YANO T，YUNOKI T，HORIUCHI M.Kinetics of oxygen uptake during decremental ramp exercise[J].J Sports Med Phys Fitness，2000，40（1）：11.

[3]DAVIS J A，WHIPP B J，LAMARRA N，et al.Effect of ramp slope on determination of aerobic parameters from the ramp exercise test[J].Med Sci Sports Exerc，1982，14（5）：339.

[4]彭莉.置疑最大摄氧量：测试方法与判定标准[J].体育科学，2011（7）：85.

[5]MIDGLEY A W，MCNAUGHTON L R，POLMAN R，et al.Criteria for determination of maximal oxygen uptake：a brief critique and recommendations for future research[J].Sports Med，2007，37（12）：1019.

[6]BENTLEY D J，MCNAUGHTON L R.Comparison of Wpeak，O2peak and the ventilation threshold from two different incremental exercise tests[J].Journal of Science & Medicine in Sport，2004，6（4）：425.

[7]ZUNIGA J M，HOUSH T J，CAMIC C L，et al.Metabolic parameters for ramp versus step incremental cycle ergometer tests[J].Appl Physiol Nutr Metab，2012，37（6）：1110.

[8]MIOSZ CZUBA A Z J C.Difference in Maximal Oxygen Uptake Determined by Incremental and RAMP Tests[J].Studies in Physical Culture and Tourism，2010，17（2）：123.

[9]ASTORINO T A.Alterations in O2max and the O2 plateau with manipulation of sampling interval[J].Clinical Physiology and Functional Imaging，2009，29（1）：60.

[10]BOONE J，BOURGOIS J.The oxygen uptake response to incremental ramp exercise：methodogical and physiological issues[J].Sports Med，2012，42（6）：511.

[11]HOLLENBERG M，TAGER I B.Oxygen uptake efficiency slope：an index of exercise performance and cardiopulmonary reserve requiring only submaximal exercise[J].J Am Coll Cardiol，2000，36（1）：194.

[12]ROSSITER H B，KOWALCHUK J M，WHIPP B J.A test to establish maximum O2 uptake despite no plateau in the O2 uptake response to ramp incremental exercise[J].J Appl Physiol，2006，100（3）：764.

[13]胡国鹏，王人卫，刘无逸.O2max、O2maxPD等指标在有氧耐力评定中的比较研究[J].北京体育大学学报，2010（3）：50.

[14]胡国鹏，王人卫.槲皮素干预对自行车运动员运动能力与抗氧化能力影响及其关系研究[J].西安体育学院学报，2013（2）：204.

[15]BISI M C，STAGNI R，GNUDI G.Automatic detection of maximal oxygen uptake and ventilatory threshold[J].Comput Biol Med，2011，41（1）：18.

[16]H H V.Advanced Fitness Assessment and Exercise Prescription[M].Urbana：Human Kinetics，2014：55.

[17]MEDICINE A C O S.ACSMS Guidelines for Exercise Texting and Prescription[M].9 th ed ed.Philadelphia：Lippincott Williams&Wilkins;，2014：150.

[18]BENTLEY D J，MCNAUGHTON L R.Comparison of Wpeak，O2peak and the ventilation threshold from two different incremental exercise tests：Relationship to endurance performance[J].Journal of Science and Medicine in Sport，2003，6（4）：422.

[19]ZUNIGA J M.Patterns of responses for neuromuscular and metabolic parameters for ramp versus step incremental cycle ergometer tests[J].Applied Physiology Nutrition & Metabolism，2012，37（6）：1110.

[20]MIDGLEY A W，BENTLEY D J，LUTTIKHOLT H，et al.Challenging a dogma of exercise physiology：does an incremental exercise test for valid O2 max determination really need to last between 8 and 12 minutes？[J].Sports Med，2008，38（6）：441.

[21]MORTON R H.Why peak power is higher at the end of steeper ramps：an explanation based on the "critical power" concept[J].J Sports Sci，2011，29（3）：307.

[22]ADAMI A，SIVIERI A，MOIA C，et al.Effects of step duration in incremental ramp protocols on peak power and maximal oxygen consumption[J].Eur J Appl Physiol，2013，113（10）：2647.

[23]DUNCAN G E，HOWLEY E T，JOHNSON B N.Applicability of O2max criteria：discontinuous versus continuous protocols[J].Med Sci Sports Exerc，1997，29（2）：273.

[24]YOON B K，KRAVITZ L，ROBERGS R.O2max，protocol duration，and the O2 plateau[J].Med Sci Sports Exerc，2007，39（7）：1186.

[25]POOLE D C，WILKERSON D P，JONES A M.Validity of criteria for establishing maximal O2 uptake during ramp exercise tests[J].Eur J Appl Physiol，2008，102（4）：403.