四肢联动在健康青年人心肺适能评估中应用的可行性分析

钱 贞，陈 伟，李 瑾，高 民，张秋阳

最 大 摄 氧 量（maximal volume of oxygen uptake，VO2max）是在递增负荷运动中摄入和使用氧气的最大能力，是评价运动能力和心肺适能的金标准［1-2］。一般获取VO2max的症状限制性极量运动试验使用的是平板［3］或功率自行车［4-5］，但常规设备在很多人群中应用存在一定困难，如老年人、未受训练的个体［6］以及脑损伤患者［7］，并且健康人的常规测试方案可能无法提供心肺适能的准确评估［3］。如果使用的运动测试方案不合适，获得的心肺适能评估指标会存在偏差，进一步会影响运动处方的执行效果。四肢联动是一种结合四肢的运动方式，常运用在偏瘫、单纯下肢功能受限患者的训练中，目前在心肺适能评估领域的应用较为罕见。本研究旨在分析健康青年人应用四肢联动进行症状限制性极量运动试验的可行性，以探索心肺适能功能评估的适宜设备。

1 对象与方法

1.1 纳入与排除标准 纳入标准：（1）年龄为18～44岁；（2）愿意配合研究，并签署知情同意书。排除标准：（1）根据美国运动医学院（American College of Sports Medicine，ACSM）运动危险分层［8］，属于运动期间发生心脏并发症高风险；（2）有心血管和肺部等基础疾病；（3）有影响运动表现的肌肉骨骼问题，如肌肉拉伤、骨折等；（4）由于身体功能限制不能使用功率自行车或四肢联动，如肢体缺损。

1.2 研究对象 于2016年9月—2017年9月社会招募112例测试者于徐州市康复医院进行运动测试，其中4例因不适应佩戴面罩进行运动而退出测试。108例测试者中，男60例，女48例；年龄21～35岁，平均年龄（26.9±4.5）岁；身高153～184 cm，平均身高（166.7±7.8）cm；体质量46～90 kg，平均体质量（59.2±11.8）kg；体质指数（BMI）17.1～27.9 kg/m2，平均BMI（21.2±2.8）kg/m2；已婚66例，未婚42例；职业：体力劳动12例，脑力劳动96例；ACSM运动危险分层［8］：低危96例，中危12例；文化程度：专科18例，本科71例，研究生19例；84例有久坐习惯；30例有健身习惯；72例有不良生活习惯（吸烟、饮酒、熬夜等）。本研究经徐州市康复医院伦理委员会批准。

1.3 研究方法 症状限制性极量运动试验采用K4b2运动心肺功能测试及代谢分析系统（意大利科时迈公司），采用具有双通道呼吸瓣膜的K4b2开放式肺活量测量计持续性收集和分析呼出和吸入的气体，测试过程中收集平均数据，30 s/次。测试者采用PEC4850功率自行车和MINI7005四肢联动均随机进行2次试验，测试时间相同，试验间隔1～5 d［9］。测试前对K4b2运动心肺功能测试及代谢分析系统进行容量、流量、气体定标。测试前24 h内避免进行剧烈的身体活动，6 h内禁饮咖啡及饮酒，2 h内禁止进食，但允许喝水。测试房间配备抢救药品、除颤仪、氧气瓶等急救设备。

1.3.1 功率自行车 根据测试者身高，调整功率自行车座椅高度，坐位高度以脚踩在踏板上转到最低点时，膝盖处于将近伸直但未完全伸直的状态为宜；清洁皮肤，连接心电图电极，戴血压袖套以及用于收集气体的面罩，并检查有无漏气；依据测试者性别、年龄、身高、体质量以及平常运动强度等选择个体化的功率递增方案（10～20 W/min，斜坡式递增）。测试过程：（1）观察并记录测试者静息状态的心电图、心率和血压，持续1 min；（2）热身期进行无负荷运动，患者运动速度为60 r/min，持续3 min，结束时记录心电图、心率和血压等；（3）功率负荷期进行递增运动，根据相应的功率递增方案，持续增加功率，直至达到症状限制性极量运动水平或出现需要终止测试的情况，维持8～12 min，观察并记录心电图和血压，1次/2 min，密切观察测试者的面部表情和手势，若速度＜55 r/min，鼓励测试者并使用计数秒表提醒保持速度；（4）运动试验结束后，恢复期进行无负荷缓慢踏车3 min，静息3 min，观察症状、血压、心率恢复情况。

1.3.2 四肢联动 根据测试者下肢长度，向前或后调整四肢联动座椅，使测试者伸膝时保持膝关节轻微弯曲，防止膝关节进入锁膝状态；根据测试者臂长调整臂杆长度，使测试者能够充分地伸展和弯曲肩关节、肘关节；测试者在运动试验开始前适应四肢联动双侧交互运动模式以及所需保持的速度，以免影响运动表现。四肢联动配有阻力模式显示屏，阻力分为1～16档，屏幕上显示的1小格代表1档阻力，可以手动加减阻力。测试前准备工作同功率自行车，依据测试者性别、年龄、身高、体质量以及平常运动强度等选择个体化的阻力递增方案（1～2档/90 s，阶梯式递增），速度保持120踏/min［10］，若速度＜110踏/min，鼓励测试者并使用计数秒表提醒保持速度。测试过程及监测指标均与功率自行车相同。

1.3.3 判断依据 测试者达到症状限制性极量运动水平的判断依据（至少达到1项）：（1）达到摄氧量（volume of oxygen uptake，VO2）平台，即负荷运动最后1 min的VO2增加 ＜150 ml［11］；（2）峰值心率（HRpeak）≥最大心率（maximum heart rate，HRmax）-10［12］；（3）呼吸交换率（respiratory exchange ratio，RER）＞1.10［13］。

1.3.4 终止标准 症状限制性极量运动测试终止标准（出现任何1项，立即终止试验）：（1）达到症状限制性极量运动水平；（2）测试者意志疲劳要求终止测试；（3）测试者不能保持规定速度［14］；（4）出现ACSM规定的绝对和相对运动终止指征［8］。

1.3.5 观察指标 先后各进行1次功率自行车和四肢联动，测量两次运动试验中的绝对峰值VO2（VO2peak）即每分钟机体总VO2、相对VO2peak即每分钟每公斤体质量的VO2、相对VO2peak/预测VO2（VO2pred）、峰值代谢当 量（peak metabolic equivalents，METpeak）、HRpeak、HRpeak/年龄最大预计心率（age predicted maximum heart rate，APMHR）、静息心率（resting heart rate，HRrest）、静息收缩压（resting systolic blood pressure，SBPrest）、静息舒张压（resting diastolic blood pressure，DBPrest）、峰值收缩压（peak systolic blood pressure，SBPpeak）、峰值舒张压（peak diastolic blood pressure，DBPpeak）、峰值RER（RERpeak）、峰值负荷、达到绝对VO2peak的时间（timepeak）。临床医师采用V-斜率法（V-slope）评估无氧阈（anaerobic threshold，AT），并测量达到AT时绝对VO2（VO2AT）、相对VO2AT以及相对VO2AT/相对VO2peak。采用Borg scale自感劳累分级表［9］评估最大运动负荷时呼吸困难和腿部疲劳的自感劳累程度，评分为6～20分，6～8分为“非常轻”、9～10分为“很轻”、11～12分为“轻”、13～14分为“有点累”、15～16分为“累”、17～18分为“很累”、19～20分为“非常累”，评分越高，自感劳累程度越累。记录测试终止的原因。

1.4 统计学方法 采用SPSS 17.0软件进行统计学分析。计量资料以（s）表示，不同运动方式试验结果比较采用配对t检验；采用Pearson相关性分析四肢联动和功率自行车的相对VO2peak、HRpeak的相关性。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料 108例测试者均顺利完成测试，达到终止标准而停止测试，未发生不良事件。使用功率自行车测试时，72例（66.7%）达到症状限制性极量运动水平，其中，42例（38.9%）达到1项判断依据，30例（27.8%）达到2项判断依据，无测试者达到VO2平台；108例（100.0%）可以确定AT；测试终止的原因：60例（55.6%）腿部疲劳，24例（22.2%）全身疲劳，24例（22.2%）胸闷、呼吸困难。使用四肢联动测试时，102例（94.4%）达到症状限制性极量运动水平，其中，66例（61.1%）达到1项判断依据，36例（33.3%）达到2项判断依据，无测试者达到VO2平台；99例（91.7%）可以确定AT；测试终止的原因：30例（27.8%）腿部疲劳，60例（55.5%）全身疲劳，18例（16.7%）胸闷、呼吸困难。

2.2 功率自行车与四肢联动试验结果比较 功率自行车与四肢联动的HRrest、SBPrest、DBPrest、DBPpeak比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）；功率自行车的绝对VO2peak、 相 对 VO2peak、 相 对 VO2peak/VO2pred、METpeak、HRpeak、HRpeak/APMHR、SBPpeak、RERpeak、timepeak、 绝对VO2AT、相对VO2AT、相对VO2AT/相对VO2peak低于四肢联动，峰值负荷、呼吸困难评分、腿部疲劳评分高于四肢联动，差异均有统计学意义（P＜0.05，见表1）。

2.3 功率自行车与四肢联动相对VO2peak、HRpeak的相关性分析 四肢联动的相对VO2peak与功率自行车的相对VO2peak呈正相关（r=0.881，P＜0.001，见图1）；四肢联动的HRpeak与功率自行车的HRpeak呈正相关（r=0.845，P＜0.001，见图 2）。

3 讨论

美国心脏协会声明，VO2max是全因死亡率较强的预测因子之一，也是公认的整体心血管健康和功能的重要指标［15］。临床测量VO2max较困难，所以通常采用VO2peak描述最大有氧运动能力。YATES等［16］发现采用传统测试方式测量VO2peak存在一定难度，21%的受试者不能完成动作，从而排除测试。手臂测力计同样可以用于测量VO2peak，但手臂测力计测量的VO2peak比跑步机测试测量的VO2peak降低高达30%～35%［17］。NOONAN等［18］认为需要一个可以适用于具有平衡障碍、肥胖、肌肉骨骼或者神经肌肉疾病的人群的标准运动测试方案。本研究使用的四肢联动是在坐位下进行测试，对测试者平衡能力要求较低，而且坐位形式对关节冲击力较小，对于患有关节炎或下肢关节置换的老年人而言，属于理想的运动测试方式［19］。此外，由于四肢联动结合了上下肢双侧交互运动，配备具有后外侧缘的宽踏板以及脚部的宽束缚带，使患有神经肌肉疾病如脑卒中、脊髓损伤患者能够顺利进行运动测试。目前四肢联动常运用于不同功能障碍患者的康复训练中［20］，但关于将其运用在心肺适能评估的研究目前较为少见。所以本研究分析四肢联动在症状限制性极量运动测试中的可行性，以期探寻到可广泛运用的测试设备。

本研究结果显示，四肢联动的相对VO2peak与功率自行车的相对VO2peak呈正相关，四肢联动的HRpeak与功率自行车的HRpeak呈正相关，而且功率自行车的相对VO2peak、HRpeak均低于四肢联动，与HILL等［21］使用结合上下肢的运动设备评估脑卒中患者的心肺功能的结论相似，提示健康青年人使用四肢联动进行症状限制性极量运动测试是有效、可靠的，测试结果能体现测试者真实的心肺功能。本研究结果显示，四肢联动的相对 VO2peak为（28.2±4.8）ml·kg-1·min-1，高于功率自行车的（24.3±4.9）ml·kg-1·min-1；四肢联动的相对VO2peak/VO2pred为（73.0%±16.0%），高于功率自行车的（62.8%±14.1%）。国外研究报道健康青年人的相对VO2peak为（55.0±1.3）ml·kg-1·min-1［22］，本研究结果明显低于其结果，说明我国健康青年人的心肺适能较低，除人种差异外，不良生活方式（久坐、无健身习惯、吸烟、饮酒、熬夜等）也可能损害心肺健康。

表1 四肢联动与功率自行车试验结果比较（s）Table1 Comparison of the results between limb linkage and cycle ergometer tests

表1 四肢联动与功率自行车试验结果比较（s）Table1 Comparison of the results between limb linkage and cycle ergometer tests

注：VO2peak=峰值摄氧量，VO2pred=预测摄氧量，METpeak=峰值代谢当量，HRpeak=峰值心率，APMHR=年龄最大预计心率，HRrest=静息心率，SBPrest=静息收缩压，DBPrest=静息舒张压，SBPpeak=峰值收缩压，DBPpeak=峰值舒张压，RERpeak=峰值呼吸交换率，timepeak=达到VO2peak的时间，VO2AT=达到无氧阈时的摄氧量；由于部分患者不能确定无氧阀，a为例数有缺失

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图1 四肢联动相对VO2peak与功率自行车相对VO2peak的关系的散点图Figure1 Scatter plot of relationship of the relative VO2peak results between the limb linkage test and the cycle ergometer test

图2 四肢联动HRpeak与功率自行车HRpeak的关系的散点图Figure2 Scatter plot of relationship of the HRpeak results between the limb linkage test and the cycle ergometer test

本研究结果显示，功率自行车的相对VO2peak、HRpeak均低于四肢联动，可能原因为：（1）四肢联动是一种结合了双侧上下肢交互运动的设备，与单纯使用双下肢进行运动的功率自行车相比，运动过程中需要更多的肌肉群参与（增加双上肢以及部分躯干肌群），心输出量会随之增加，以供应增加的肌肉耗氧；（2）本研究结果显示，进行功率自行车测试时因腿部疲劳终止测试所占比例最高，而且功率自行车的腿部疲劳评分高于四肢联动，即腿部疲劳感明显重于四肢联动，由于大部分测试者有久坐习惯而无健身习惯，导致双下肢耐力较差，在仅依靠双下肢的功率自行车运动中就会过早进入代谢性酸中毒状态而终止运动，从而限制测试者达到更高的运动强度。国外研究分析平板和功率自行车获得的VO2peak的差异原因时，提出可能由于动静脉氧分压差高，腿部肌肉血流量大，整体血管传导率高［23］，脂肪氧化率高，碳水化合物氧化率低［24］，骨骼肌中的糖酵解酶活性相对高［25］，导致平板获得的VO2peak相对高。关于是否存在类似机制从而导致四肢联动获得的VO2peak偏高，值得进一步深入研究。本研究结果显示，使用四肢联动测试时达到症状限制性极量运动水平的比例高于功率自行车，呼吸困难和腿部疲劳评分低于功率自行车，timepeak长于功率自行车，可能是因为四肢联动测试中双上肢能帮助分担双下肢的阻力，从而更能耐受负荷运动，运动时间更长，因此，四肢联动即使在无运动障碍的人群中也可以帮助简化心肺适能评估过程，发挥更好的运动能力。

综上所述，四肢联动在测量健康青年人心肺适能方面是安全、有效、可行的，将为临床医生提供一种可替代的运动测试方法，以便制定个体化更精确的运动处方，进一步优化各种人群的健康生活方式干预策略。此外，由于四肢联动采取的是坐位、四肢交互运动的方式，可能使某些特殊群体（如脑卒中、多发性硬化、脊髓损伤患者）的心肺运动试验更加容易进行，获得的测试数据更加准确。本研究的局限性在于样本量小，并且只招募了青年人，限制了研究结果在整个人群中的推广，今后的研究将进一步扩大样本量以求证测试结果，或关注其他群体是否能从运动测试或开具的运动处方中获益。

作者贡献：钱贞、张秋阳进行文章的构思与设计，研究的实施与可行性分析；钱贞进行数据收集与整理，撰写论文；钱贞、李瑾进行统计学处理，结果的分析与解释；陈伟、高民进行论文的修订；张秋阳负责文章的质量控制及审校，对文章整体负责，监督管理。

本文无利益冲突。