基于身高、体重及肺活量的大学一年级男生最大摄氧量推算方法研究

2018-09-28王念辉洪平苏中军

中国运动医学杂志 2018年3期

关键词：蹬车测量法氧量

王念辉洪平苏中军

1临沂大学体育与健康学院（山东临沂276000）

2国家体育总局冬季运动管理中心（北京100044）

3温州大学体育学院（浙江温州325035）

4国家体育总局体育科学研究所（北京100061）

最大摄氧量（maximal oxygen uptake，VO2max）是身体活动能力和心肺适能主要的预测指标，同时也是心血管健康的独立预测指标[1]。低心肺适能是全因死亡率的主要危险因子，比吸烟、高血压及肥胖更能解释死亡原因[2]。由于测量最大摄氧量不但需要受试者尽最大努力、具有潜在的危险性，同时需要特殊的方法和设备，如跑台、自行车或者气体分析仪，所以最大摄氧量的测量往往局限于实验室，而在普通人或临床实践上很少应用[3，4]。因此，在流行病学研究中推算最大摄氧量便显得尤为重要。虽然已有推测最大摄氧量的相关研究，但因为仍需要做次最大强度的运动和较为复杂的设备而不可行[5]。本研究旨在比较Astrand推算法[6]与直接测量法测试结果有无差异，构建简单、低风险、易于操作的最大摄氧量推测方法。本研究的理论出发点基于影响最大摄氧量的因素，如性别[7，8]、年龄[9]、身高[9]、体重[9]，另外，通气功能[10]（如肺潮气量和呼吸频率）也与最大摄氧量有非常显著性相关关系。

1 对象与方法

1.1 受试对象

本研究随机选取某高校体育教育、社会体育专业1年级学生128名（男88名，女40名），受试者均了解实验过程及目的，并掌握肺活量的正确测量方法，实验前1天受试者禁止大强度体育活动、熬夜，避免感冒或身体任何不适现象，所有受试者健康，没有服用任何影响摄氧量和呼吸机能的药物，3小时内未进食。受试者基本资料见表1。

表1 受试者基本资料

1.2 测量与计算方法

1.2.1 体重和身高测量

身高、体重测量时受试者身穿轻质衣服，结果精确到小数点后一位小数，均测量两次，取其平均值作为分析数据；年龄采用受试者自报的方法获取；身体质量指数用体重（千克）除以身高（米）的平方获得；受试者体表面积采用许文生氏公式[11]：体表面积（m2）=0.0061×身高（cm）＋0.0128×体重（kg）－0.1529；肺活量测量方法采用国民体质测量系统（健民牌）进行测量，测量时房间通风良好，温度适宜，正式测量前受试者先进行1～2次深呼吸，然后尽最大能力吸气后再尽最大能力呼气，呼气末可以弯腰以便尽可能多地呼出气量，测量2次，取平均值作为分析数据，整个过程中受试者不必紧张，结果精确到整数。

1.2.2 间接法（Astrand推算法）推算最大摄氧量

该测量方法依据Astrand-Ryhming[6，12]提出、肖国强[13]总结及Monark 839E功率自行车测量程序制定。所有测试均在实验室进行，保持通风及室温环境，受试者衣服适当，调整好车座和扶手后（记下车座高度），静坐5分钟后开始正式测量最大摄氧量，测试过程中蹬车频率为60 rpm，polar表（芬兰S10）监测心率，控制心率为120～170次/分钟，起始负荷男性为600 kpm/min，女性为300 kpm/min，前3分钟蹬车过程中根据心率调整负荷，使心率控制在120次/分钟以上，然后按照最后负荷再持续蹬车3分钟或直到测量结束，并保证最后两分钟的最大心率差≤5次/分钟。测试过程中保持室内安静，减少外界对受试者心率的影响。为便于比较，记录实验结果相对值作为分析数据。

1.2.3 直接法（每口吸气法）测量最大摄氧量

直接测量法所需仪器为美国MAX-II，提前1小时预热仪器，进行气体成分和气压校正后准备正式测量。为避免测量间的干扰，在间接推算法测量结束1天后，受试者再次来到实验室。先将主观疲劳感觉等级（RPE）意义介绍给受试者，为避免生物节律的影响，所有受试者均在一天中同一时间测量，先将车座高度和把手位置调整好（同间接测量法），受试者进行5分钟的热身活动后正式进行蹬车运动，起始负荷男、女分别为70 W和50 W，递增方法为每3分钟男、女分别增加30 W和20 W，每3秒钟记录一次结果，直到受试者运动力竭，记录最后30秒内的相对摄氧量最大值作为分析数据。运动过程中，采用polar表（芬兰S10）监测心率，蹬车频率控制在60 rpm并给予口头鼓励。停止测量后，让受试者以50 W负荷蹬车5分钟作为整理活动。

力竭或达到最大摄氧量的判断标准如下：（1）随着负荷增加受试者摄氧量出现平台期；（2）呼吸商＞1.10；（3）心率达到180次/分钟以上；（4）主观疲劳感觉等级（RPE）＞16。同时满足以上3个即可判定达到最大摄氧量要求。

2 数据分析与模型构建

2.1 Astrand推算法与直接法测量最大摄氧量比较

由于直接测量最大摄氧量耗时耗力，为验证能否用Astrand推算法代替直接测量法求得最大摄氧量，进而计算最大摄氧量回归方程，所以先比较Astrand推算法与直接测量法两种方法所得最大摄氧量是否有显著性差异。若无显著性差异，则采用间接法代替直接测量法测量最大摄氧量；反之，则采用直接测量法测量最大摄氧量。

为减少由于受试者个体差异导致的Astrand推算法与直接测量法对最大摄氧量实验结果的影响，本部分测试采用同一批受试者，先进行Astrand法推算最大摄氧量，洗脱1天后再进行直接法测量最大摄氧量，两次结果采用配对样本t检验分析其差异性，Gpower3.0.10计算最小样本量为每组17人，为探讨性别对最大摄氧量的影响，故男、女各随机选取17名受试者，受试者资料如表2所示，且与总体受试者基本资料无显著性差异（P＞0.05）。

表2 随机选取的男、女受试者基本资料

表3显示，Astrand推算法和直接测量法所得男性VO2max相对值无显著性差异（P＞0.05），即男性无方法学上的差异，95%可信区间为-9.09～0.34，包含“0”点；而女性有方法学差异，95%可信区间为8.05～16.98，不包含“0”点，Astrand推算法比直接测量法求得最大摄氧量相对值高38.3%。

表3 Astrand推算法和直接法测量VO2max结果比较

2.2 相关分析与模型构建

2.2.1 潜在影响因素与最大摄氧量相关性分析

身高、体重、体表面积、BMI及肺活量是影响最大摄氧量的潜在因素，与最大摄氧量的相关性采用Pearson相关分析，为排除性别的影响，本部分同样分别对男、女进行相关性分析，P＜0.05为显著性相关。

由表4可知，BMI、体表面积、肺活量及体重与最大摄氧量相关性分析中显示出性别差异，男性上述指标均与最大摄氧量呈非常显著性相关（P＜0.01），而女性上述指标则不存在显著性相关（P＞0.05）。

表4 潜在影响因素与最大摄氧量相关性分析结果

2.2.2 模型构建

采用多元线性回归模型对以最大摄氧量为因变量，BMI、体表面积、肺活量及体重为自变量进行相关性分析，为保证按相关性强弱进行最大摄氧量推测模型的构建，自变量进入回归模型的方法为Forward法（F=0.05进入，F=0.1剔除），结果见表5。

由表5可以看出，多元线性回归分析结果显示：男性回归方程及回归系数的检验结果均呈非常显著性差异（P＜0.01），拟合度调整系数为0.484，拟合度尚可，Durbin-Watson及VIF分别为1.833和1.201，拟合方程有效，故得出男性推算最大摄氧量回归方程为：y=34.812+0.015×肺活量（ml）－40.403×体表面积（m2）；而女性方程检验、回归系数检验结果均无显著性差异（P＞0.05），拟合度调整系数为 0.035，Durbin-Watson为2.257，方程VIF无结果，故拟合方程无效。

表5 最大摄氧量多元线性回归分析结果

3 回归方程检验

本部分研究依据Gpower3.0.10，计算最小样本量为17，故随机在同年级再次招募17名符合条件的男性，先进行基本资料测试（方法同前），身高、体重、年龄及肺活量与总体样本无显著性差异（P＞0.05），果如表6所示。详细介绍本研究目的及5分钟热身后用直接法（方法及最大摄氧量判断标准同前）开始测量最大摄氧量，并将结果与本研究回归方程推算的最大摄氧量进行配对样本t检验，检验回归方程的有效性，P＜0.05为显著性差异，检验结果见表7。

表7显示，P=0.271，且95%置信区间为－4.78～1.44，包含“0”点，回归方程推算法与直接测量法得到的最大摄氧量相对值无显著性差异（P＞0.05），说明本研究得到的推算体育教育、社会体育专业健康大一男性最大摄氧量相对值回归方程有效。

表6 男性受试者基本资料（n=17）

表7 回归方程推算与直接测量法所得最大摄氧量相对值比较（n=17）

4 分析讨论

最大摄氧量是人体在进行有大肌肉群参与的长时间剧烈运动中，当心肺功能和肌肉利用氧的能力达到人体极限水平时，单位时间内（每分钟）所能摄取并被机体利用的氧气量，是评价心肺适能的重要健康指标[14]。考虑到直接测量最大摄氧量的方法存在诸如设备、风险等不利因素[15]，许多学者已经研究并探讨了间接推算最大摄氧量的方法[16，17]。这些方法是基于次最大强度的运动方法，要么使呼吸要么使心率达到一定稳态，根据心率-功率-摄氧量之间的线性关系，进而推算出最大摄氧量。最具代表性的是Astrand推算法[6]，其原理是利用个性化的次最大运动负荷蹬车6分钟，使心率达到一定的稳态时推算最大摄氧量。通过次最大运动强度推算最大摄氧量的方法有一些局限性，如个体间存在运动经济化的差异，当进行台阶或蹬车等定量负重运动时个体的心率应答存在较大变异，而且用绝对次最大心率与次最大摄氧量之间的线性关系推测最大摄氧量时，次最大心率容易受周围环境温度、神经及心理状态等因素影响。为克服用绝对心率推算最大摄氧量存在的缺陷，Ekblom-Bak等[4]用3种不同的负荷进行蹬车运动，根据心率差（△HR）、做功功率差（△P），利用多元线性回归推测建立的回归方程推算最大摄氧量具有较好的可靠性及准确性。但分析后不难发现，这些间接推算方法仍然需要复杂的仪器设备、次最大强度运动、需要较长时间及测试场所固定在实验室等，同样制约了最大摄氧量在流行病学研究及普通人群中的实际应用。

研究证明许多因素影响最大摄氧量，包括身高、体重、性别、年龄及肺活量等[14，18-20]。这些影响因素中包含身体形态指标和功能指标（训练因素）。马红梅[18]研究发现，最大摄氧量相对值与男、女生BMI呈负相关，但不具显著性；男大学生最大摄氧量绝对值与胸围显著相关；男大学生最大摄氧量绝对值与肺活量显著相关。虽然作者得到了最大摄氧量的回归方程，但两个回归方程中的自变量仅包含一个，分别是胸围（Y=-2376.011+67.344X）和肺活量（Y=744.694+0.686X），实际应用中存在较大局限性。最大摄氧量不仅与身体形态有关，同时最大摄氧量具有可训练性，因此，理想的回归方程自变量应当同时包括形态和呼吸功能指标。

本研究首先比较Astrand推算法和直接测量法所得到的大学生最大摄氧量相对值的差异性，结果发现两种测量法测得男大学生VO2max相对值无显著性差异，而女大学生却存在显著性差异，因此，对男大学生用Astrand推算法的结果数据代替直接测量数据继续探讨最大摄氧量与身体形态、呼吸功能（肺活量）的相关性及回归分析。Pearson相关性分析表明，男大学生VO2max相对值与BMI、体表面积、体重及肺活量均呈非常显著性相关（P＜0.01），而女大学生VO2max相对值与上述指标不存在显著相关性（P＞0.05）；然后用Forward方法按影响指标的重要性依次进入回归方程，最终只有肺活量和体表面积进入回归方程，故得出推算男性最大摄氧量相对值的回归方程为：y=34.812+0.015×肺活量（ml）－40.403×体表面积（m2），并最后证明了回归方程的有效性。本次研究所得回归方程包括体表面积和肺活量两个自变量，且VO2max相对值与体表面积负相关，与肺活量正相关。研究已证明耐力运动可增大受试者的肺活量，所以耐力运动同样可增大受试者的最大摄氧量，因此回归方程可以部分地解释耐力运动与最大摄氧量的关系；体表面积是身体形态指标，与VO2max相对值呈负相关，考虑到肌肉是消耗氧气的主要器官之一，但所得推算方程中变量包含体重，作为探索性研究并没有细化到瘦体重。研究表明腹部肥胖[19]、脂肪含量[21]或身体成分[22]均显著影响最大摄氧量的测量值，所以未来研究影响最大摄氧量的身体形态时应细化到上述因素，进一步建立推算最大摄氧量的更为精确的回归方程，所以要在保证需要尽可能简单器材的前提下做进一步研究。