基于典型相关的心肺耐力水平与心血管健康风险因素研究

2018-07-08董宏，戴俊

中国学校体育(高等教育) 2018年12期

董宏，戴俊

（盐城师范学院体育学院，江苏盐城 224002）

2017年10月18日，党的十九大报告中指出，广泛开展全民健身活动，加快推进体育强国建设。这是继全民健身上升国家战略以来，又一次被提上重要议程。全民健身与全民健康的深度融合也将是健康中国的崇高使命。身体活动与冠心病发病及死亡风险的研究使人们开始关注身体活动、心肺耐力与健康风险及疾病间的关联。心肺耐力可以作为心血管事件的独立预测指标，而且心肺耐力在预测中心血液动力学指标独立于其他混杂因素。众所周知，40～49岁这一人群属于心肺功能快速下降的一个年龄段，也是心血管疾病的高发期。40～49岁人群久坐行为或者生活方式产生了较多的健康问题，它是造成死亡或疾病的一个主要的潜在诱发因子[1]。心肺耐力水平不仅可以用于评价不同人群身体活动的高低，而且其水平与各人群全因死亡率及心血管疾病死亡率呈一定的相关关系。长时间静坐少动的时间是否独立与身体活动水平和心血管危险因素有关。而且心肺耐力较高者是否能改善与高静坐少动水平有关的有害的健康效果目前的研究较少，其所带来的健康效果也就无从得知。本研究通过分析探讨心肺耐力指标与心血管健康风险因素之间的相关性，提供数据化的运动健身依据，为健康促进和预防相关疾病提供参考。

1 研究方法

1.1 文献资料法在中国知网上以“心肺耐力”“心血管健康”等为关键词，检索中外文献10余篇，为研究开展提供了一定的理论依据。

1.2 实验法

1.2.1 实验对象招募静坐少动中年女性人群，要求招募对象为工作、生活规律，未参加每周至少3d、每天不少于30min的中等强度身体活动，且持续3个月以上的中年女性（年龄44.95±2.29岁，身高157.6±3.32cm，体重61.23±7.55kg），共计招募符合要求的受试者200名。

1.2.2 心肺耐力指标的测试运动方案：根据ACSM测试手册第9版推荐的递增负荷运动试验设定，先测量静息时身高、体重、安静心率，填写生理指标调查表，安静休息10min，然后采用心肺功能测试仪和与之配套的功率自行车对受试者进行直接测定，起始负荷25W，每蹬骑2min为一负荷等级，每级递增25W，观察受试者的反应，最高负荷可达175W，共7个负荷等级。整个运动过程中转速始终保持在60转/分，直至力竭为止，即可获得最大摄氧量值。

1.2.3 血脂4项测试测试受试者空腹状态下总胆固醇(TC)、甘油三酯(TG)、高密度脂蛋白胆固醇(HDL-c)、低密度脂蛋白胆固醇(LDL-c)。采用南京建成生物工程研究所生产试剂盒与日立产7020全自动生化分析仪进行测试。TC与TG采用终点法进行测试；HDL-c与LDL-c采用直接测定法进行测试。

1.3 数理统计法所有数据采用EpiData Entry用于问卷统计数据录入与数据管理，运用SPSS19.0进行数据的统计分析，结果采用均数±标准差形式表示（M±SD）。采用离差法将受试者的心肺耐力按年龄段分成高、中、低3个等级。采用典型相关法分析探讨心肺耐力指标与心血管健康风险因素之间的相关性，采用单因素方差分析探讨心肺耐力水平等级与影响心血管健康风险因素之间的差异性。

2 结果

2.1 心肺耐力与心血管健康风险因素典型相关指标分析心肺耐力是反映人体持续身体活动的能力，其水平的高低对于氧和营养物的分配、清除体内垃圾都有促进作用。所以，良好的心肺功能则显得更加重要。美国Cooper研究所的有氧中心纵向研究认为，低心肺耐力水平是作为体力活动不足的客观指标，而且与心血管疾病死亡风险间存在一定相关性[2]。典型相关分析是利用综合变量对心肺耐力和心血管风险因素之间的相关关系来反映2组指标之间的整体相关性。其原理是为了从总体上把握心肺耐力和心血管风险因素2组指标之间的相关关系，分别在2组变量中提取有代表性的2个综合变量U1和V1(分别为2个变量组中各变量的线性组合)。即利用这2个综合变量之间的相关关系来反映2组指标之间的整体相关性。心肺耐力测试包括呼吸频率（X1）、氧脉搏（X2）、呼吸交换率（X3）、最大摄氧量（X4）、氧通气当量（X5）、最大通气量（X6）；心血管健康风险因素测试包括BMI（Y1）、体脂比（Y2）、腰臀比（Y3）、收缩压（Y4）、舒张压（Y5）、总胆固醇（Y6）、甘油三酯（Y7）、高密度脂蛋白胆固醇（Y8）、低密度脂蛋白胆固醇（Y9）。

2.2 心肺耐力与心血管健康风险因素的相互关系统计学上将相关系数的绝对值在0.3以下界定为无直线相关，0.3以上为直线相关，0.3～0.5是低度相关，0.6～0.8是显著相关（中等程度相关），0.8以上是高度相关。因此，以下统计出的相关系数以此为依据。

通过对心肺耐力指标组组内各指标进行相关分析可以看出（见表1），呼吸交换率（X3）和最大通气量（X6）呈现出显著的正相关，说明这些指标与心肺耐力有较大的关系，其余指标间相关度较弱或者不相关，反映出其他变量的相关性都较弱，互相影响较小。

表1 心肺耐力指标组的相关矩阵 n=200

通过对心血管健康风险因素指标组组内各指标进行相关分析可知（表2），腰臀比（Y3）、收缩压（Y4）、总胆固醇（Y6）、甘油三酯（Y7）、低密度脂蛋白胆固醇（Y9）、高密度脂蛋白胆固醇（Y8）和低密度脂蛋白胆固醇（Y9）分别呈现出显著的正相关，说明这些指标与心血管健康风险因素有较大的关系；其余指标间相关度较弱或者不相关，反映出其他变量的相关性都较弱，互相影响较小。

表2 心血管健康风险因素指标组的相关矩阵 n=200

表3输出的是心肺耐力与心血管健康风险因素之间的相关系数，从两者直接相关系数看，最大摄氧量与心血管健康风险因素各指标之间的关联程度较大，总体上看，大部分的心肺耐力指标与心血管健康风险因素指标间有着较强的相互关系，小部分的指标关联性较小，更多的可能是综合影响。究其原因是由于变量间存在交互作用引起的。因此，这个简单的相关系数矩阵仅能作为本研究的参考，反映两组变量间的实质联系需要进行相应的显著性检验，如表10所示。

表3 心肺耐力指标组与心血管健康风险因素指标组间的相关矩阵 n=200

2.3 典型相关系数及卡方检验在建立心肺耐力和心血管健康风险因素典型相关模型后，需要对模型的效果进行验证，主要目的在于保证模型的可靠性程度和适用性大小。模型的效果分析主要包含典型相关系数检验、解释能力分析以及典型冗余分析。

如表4所示，本研究共有6个维度，前3个维度相关系数较大，依次为0.859、0.821、0.778。其中第1个维度的相关系数（r=0.859）最大，明显大于其他维度的相关程度，通过对典型相关系数取平方0.8592，可以说明一对典型变量共享方法在2个典型变量各自方差中的比例。本研究的第1维度的典型相关系数值为0.859，0.8592说明第1维度的心肺耐力指标组和心血管健康风险因素指标组典型变量之间方差的共享比例。即第1组的典型相关系数均大于心肺耐力指标组和心血管健康风险因素指标组任意2个指标间的相关系数。提示，综合的典型相关分析的可靠性和准确性要优于简单的相关分析。

表4 典型相关系数 n=200

表5 典型相关系数检验 n=200

由表5可知，经指标系数的统计学检验，第1个维度的P=0.003＜0.01，反映出第1个典型变量间的相关系数具有统计学意义；其他维度的概率均大于0.05，反映出这些指标的典型相关系数没有统计学意义。提示，第1维度的一对典型变量之间相关显著，其他各维度相关不显著，心肺耐力指标与心血管健康风险因素指标可以简化为研究第1对典型相关变量间的相关系数，即能够用心肺耐力指标组来解释心血管健康风险因素指标组。

2.3.1 典型变量的系数典型系数是指各组原始变量转换为典型函数的系数，即典型权重。此系数可以反映各组内的各变量对与之相对应的典型变量的贡献大小，即在一定程度上，反映各组内的各变量对与之相对应的典型变量影响的强烈程度。鉴于本研究的原始变量的单位不同，不宜直接比较，所以采用标准化的典型系数进行建模。

表6 心肺耐力指标组每个指标标准化的典型系数 n=200

表7 心血管健康风险因素指标组每个指标标准化的典型系数 n=200

典型相关理论的经典思想是首先找到变量Y的一个线性组合，在本研究中其函数式为：V1=a1Y1+a2Y2……aQYQ以及变量X的一个线性组合。在本研究中其函数式为：U1=b1X1+b2X2++bPXP任选一组系数(若干个a和若干个b)，可以用每个样本点分别计算出U1和V1的值。如果样本中包含n个样本点，可以算出U1和V1的n个数对，再按一般的方式计算出U1和V1的简单相关系数，通过计算出相关系数的大小，这主要取决于之前所选择的系数a和系数b。本研究在典型相关分析中，选取的系数a和系数b的值，使U1和V1之间的相关系数达到最大值。因此，选取系数a和系数b，得到的线性组合U1称为变量X的第1个典型变量，V1称为变量Y的第1个典型变量。即：

由模型可见，心肺耐力组第1维度中氧脉搏（X2）、最大摄氧量（X4）、氧通气当量（X5）、最大通气量（X6）的典型相关系数最大，说明心肺耐力指标中影响心血管健康风险因素的主要指标是氧脉搏、最大摄氧量、氧通气当量、最大通气量；在第1维度中心血管健康风险因素指标组的BMI（Y1）、腰臀比（Y3）、收缩压（Y4）、低密度脂蛋白胆固醇（Y9）的典型相关系数最大，说明这几个指标分别对第1维度的典型变量的贡献大，即心血管健康风险因素组中BMI、腰臀比、收缩压、低密度脂蛋白胆固醇的影响最大。

2.3.2 典型结构分析通常将反映典型变量与本组原始变量之间的相关性称为典型载荷系数或结构系数。典型结构主要分析的是原始变量与典型变量之间的相关程度，即每个变量和典型相关变量之间的简单相关系数，它们有助于理解原有变量和典型相关变量之间的关系。当一个典型相关变量中所用的变量集合不相关时，典型相关变量的载荷等于典型相关变量标准化后的系数。如果一些原有变量高度相关，这些载荷和系数的差异可能非常大。因此，通过结构系数可以揭示典型变量的实际含义。由于前文的统计结果显示，只有第1对典型变量具有统计学意义，所以仅对此典型相关变量进行分析。

表8 心肺耐力组变量与本组各变量的相关性 n=200

如前文所述，典型载荷系数是依据本组原始变量与典型变量间的相关系数而定。表8显示为心肺耐力组指标的原始变量与心肺耐力的典型变量U1之间的相关分析。心肺耐力指标组的典型相关变量U1可以有效预测心血管健康风险指标组的各原始指标氧脉搏（X2）、最大摄氧量（X4）、氧通气当量（X5）、最大通气量（X6），而且其指标系数均在0.7以上，说明可以有效地对心肺耐力进行相关的解释和预测。心肺耐力组的第1个典型变量与氧脉搏（X2）、最大摄氧量（X4）、氧通气当量（X5）、最大通气量（X6）的相关系数最大，说明氧脉搏、最大摄氧量、氧通气当量、最大通气量等4个指标是反映心血管健康的重要因素。

表9 心血管健康风险因素组变量与本组各变量的相关性n=200

表9表示的是心血管健康组指标的原始变量与心血管健康的典型变量V1之间的相关分析。在心血管健康风险方面，BMI（Y1）、腰臀比（Y3）、收缩压（Y4）、低密度脂蛋白胆固醇（Y9）的相关系数分别为-0.908、-0.862、0.903、0.909。提示，这4个指标对于这个年龄段静坐少动中年女性的健康意义较大，体现了BMI、腰臀比、收缩压、低密度脂蛋白胆固醇在心血管健康风险指标组中的影响力，也间接反映了专家访谈结果的有效性。

2.4 典型变量的冗余分析在典型相关分析中，常常将典型变量对本组原始变量总方差解释比例的分析以及典型变量对另外一组原始变量总方差解释比例的分析统称为冗余分析，即对分组原始变量总变化的方差分析。本研究主要以典型函数式对变量总方差的代表比例进行统计分析，典型函数式对变量总方差的代表比例是反映典型函数式对观测变量的总方差的代表性，各典型函数式对本组所有变量的总方差的代表比例如表10、11所示。

表10 心肺耐力组各典型函数式与本组所有变量的相关性n=200

由表10可知，“CV1-4”表示第1组（心肺耐力组）的第4个典型函数式与第1组所有原始变量的共享方差百分比为51.4%，其比例最大。

表11 心血管健康风险因素组各典型函数式与本组所有变量的相关性 n=200

表12 心血管健康风险因素组与心肺耐力组各典型函数式与所有变量的相关性 n=200

由表12可知，“CV2-1”表示第2组（心血管健康组）的第1个典型函数式对另一组组（心肺耐力组）所有原始变量的共享方差百分比为32.9%，其比例最大。

表13 心肺耐力指标组各典型函数式与心血管健康风险因素指标相关性 n=200

由表13可知，“CV1-1”表示第1组（心肺耐力组）的第1个典型函数式与另一组（心血管健康组）所有原始变量的共享方差百分比为20.3%，其比例最大。

综上所述，本研究所建立的模型能够对心肺耐力和心血管健康风险因素进行良好的解释，说明选取的指标能够对心肺耐力和心血管健康风险因素进行合理的概括，即选取的指标具有一定的科学性和有效性。

第1典型相关系数为0.859（共享方差为73.79%），第2典型相关系数为0.821（共享方差为67.4%），第3典型相关系数为0.778（共享方差为60.53%），第4典型相关系数为0.58（共享方差为33.64%），第5典型相关系数为0.435（共享方差为18.92%），第6典型相关系数为0.346（共享方差为11.97%）。6个典型相关系数经统计学检验，只有第1个维度的典型相关存在显著性意义。心肺耐力组与心血管健康组之间的关系主要体现在第1维度上，在此维度中又由于心肺耐力组中的氧脉搏、最大摄氧量、氧通气当量、最大通气量和心血管健康组中的BMI、腰臀比、收缩压、低密度脂蛋白胆固醇变量较为明显地高于本组的其他几个变量。因此，可以认为2个变量组的主要解释作用来自于这8个变量，2个变量组之间的具体变量路径结构图如图1所示。

图1 心肺耐力和心血管健康风险因素变量路径结构

3 分析与讨论

近10年来，静坐少动行为和身体活动不足行为已经成为发达国家公共卫生学、预防医学以及体育科学领域研究的焦点。而且，近几年国内学者对于此领域的研究也开展得较为乐观。截止到目前，大量的研究结果证实了静坐少动行为会增加死亡风险，特别是静坐少动行为与冠状动脉疾病死亡风险的关系的研究较为多见。Larsen认为[3]，每天如果持续静坐的时间过长，即便每天进行身体活动，其患死亡的风险依旧会增加。即静坐少动行为持续时间越长，死亡风险越高。而且静坐少动行为与死亡风险间的关系女性要比男性高34%。通过心肺耐力实验测试发现，随着逐级递增负荷的增加，受试者心肺功能越好，其摄氧量上升的就越快，心肺功能差的受试者摄氧量上升速度较慢，但呼吸频率增加的速度却较快。这提示，静坐少动中年女性在负荷强度不断增加时，机体的适应性和心肺耐力指标有较大的不同。最新研究证据表明[4]，心肺健康通过测试相对最大摄氧量实现。有研究发现[5]，心肺健康水平在中年时期与心血管病风险因素和血压之间存在显著的负相关。因此，心肺耐力对于健康的评价更为客观，在研究运动时心血管风险评估的问题时应将身体活动与心肺耐力结合考虑。

本研究经6个典型相关系数的统计学检验发现，只有第1个维度的典型相关存在显著性意义。心肺耐力组与心血管健康组之间的关系主要体现在第1维度上，在此维度中又由于心肺耐力组中的氧脉搏、最大摄氧量、氧通气当量、最大通气量和心血管健康组中的BMI、腰臀比、收缩压、低密度脂蛋白胆固醇变量较为明显地高于本组的其他几个变量。

氧脉搏、最大摄氧量、氧通气当量、最大通气量等这4个指标可以从不同角度反映心肺功能的情况，其中，氧脉搏就是心脏每次跳动输出的血量所摄取的氧量，即每分摄氧量与每分心率二者的比值，氧脉搏越高，反映一个人的心肺耐力越好，工作效率越高。在定量负荷中，氧脉搏的高低与心脏储备和输出功能的高低有关，也就能够间接看出一个人患心血管风险的大小。所以氧脉搏是可以用来衡量评价心脏输送氧气到周边组织的效率的最优指标。最大摄氧量是评估心肺耐力的经典指标，它与最大心输出量和最大动静脉氧差有关，其水平的高低可以反映出人体的最大心输出量和利用氧的能力。氧通气当量是指消耗1L摄氧量所需要的通气量，是确定无氧阈最敏感的指标。最大通气量是用来评价通气需要与通气能力的关系，也是评价肺功能的关键指标。潘棱等人[6]用逐级递增负荷实验对24名成年人进行运动心肺功能的测定。研究表明：通过多元逐步回归处理，最大摄氧量、相对最大摄氧量、最大心率、最大氧脉搏、最大通气量等指标可以用来对中年人的心肺功能进行综合性的评价。

身体成分是指人体脂肪组织和非脂肪组织的含量，主要的构成指标有BMI、体脂比、腰臀比等。其中，BMI是世界卫生组织官方认可的指标，在全球范围内得到公认，是反映人体体重和身高的关系，用来评价人群的胖瘦程度。腰臀比是用来评价人体中心性肥胖的指标，它与一些心血管疾病和代谢性疾病风险因子呈中度相关。收缩压主要反映心脏每搏输出量和心肌收缩能力，收缩压和舒张压与心血管病并发症的关系及治疗意义上的差别一直是争论点，但目前对于收缩压能更有效地预测心血管疾病事件发病危险的结论已基本达成共识。有研究认为，无论收缩压还是舒张压，与卒中危险之间均呈显著正相关。但经过风险模型校正后，舒张压的则无统计学意义，而收缩压与卒中危险因素的关系却仍然差异显著[7]。提示，收缩压是比舒张压更为重要的卒中预测因子。而且，Brummett研究认为，收缩压对冠心病死亡和卒中的相对危险度也大于舒张压[8]。有研究发现，人体腹部矢状径对代谢紊乱及内脏脂肪积聚的预测要好于腰围，而腹部矢状径包括腹部皮下和内脏脂肪及其该条径线上的肌肉骨骼等组织，对代谢影响最大的是内脏脂肪[9]。低密度脂蛋白胆固醇是指富含胆固醇及其酯的脂蛋白，它的变化对于制约动脉粥样硬化的发生和发展具有重大的意义，而且其作为心血管病风险因素的关键指标已经被众多的国内外研究证实[10-11]。