Verification phase作为判定最大摄氧量新方法的研究进展

贺晓玉 李稚 邓京捷

广东省体育科学研究所（广州510663）

最大摄氧量（maximal oxygen uptake，VO2max）是人体在进行大量肌肉参加的长时间激烈运动中，心肺功能和肌肉利用氧的能力达到机体生理极限时，单位时间所摄取的氧含量。自1923年Hill和Lupton[1]提出VO2max概念后，运动生理学与临床医学界进行了大量研究。目前，VO2max是评价心肺功能和有氧能力的金指标[2]，并成为全因死亡率和心血管疾病风险的最佳个人预测指标之一[3-4]。因此，如何准确获得VO2max真实值尤为重要。随着快速反应气体代谢分析仪与瞬时呼吸气体流量测量技术的出现和使用，递增负荷运动测试（graded exercise test，GXT）成为最常用的测定VO2max的方法，受试者能否在GXT中运动至力竭是影响获得VO2max真实值的最关键因素。摄氧量平台是判定VO2max的金标准，但文献报道摄氧量平台的发生率极为不一致，且摄氧量平台出现的确定标准缺乏标准化。因此有研究通过采集受试者在尚未出现摄氧量平台时的一系列次级指标来确定VO2max值，如：最大呼吸商（maximal respiratory exchange ratio，RERmax）、最大心率（maximal heart rate，HRmax）、最大血乳酸（maximal blood lactate concentration，BLAmax）和主观感觉量表（rate of perceived exertion，RPE），但这些指标受受试者个体差异性大的影响，缺乏有效性和敏感性，为研究人员所质疑。近些年来，verification phase作为判定VO2max的新方法，或许能够规避上述判定方法的缺陷。国外学者已在竞技体育、大众健身及临床医学领域进行了大量研究，结果表明，verification phase能判定VO2max的真实值，具有敏感性和可靠性。然而，目前国内关于verification phase的研究报道尚少，鉴于此，本文对判定VO2max的新方法——verification phase的相关研究进行综述，以促进verification phase的推广和应用。

1 VO2max的现行评价标准

1.1 摄氧量平台是判定VO2max的金标准

摄氧量平台即在GXT将要结束时，增加运动强度，摄氧量将不再增加或下降。Hill等[1，5]最先提出此概念，但未提出证实摄氧量平台出现的明确标准。Taylor等[6]最先提出将连续两级运动负荷的摄氧量差≤150 ml/min（≤2.1 ml/kg/min）作为摄氧量平台出现的标准，并证实69%和94%的受试者分别在递增速度和递增坡度的GXT中出现摄氧量平台。然而，Mier等[7]使用Taylor提出的摄氧量平台标准时，发现摄氧量平台的出现率仅为14%，与Taylor等的研究结果相差很大。Lucia等[8]将摄氧量平台标准定为≤1.5 ml/kg/min，发现优秀男性公路自行车运动员摄氧量平台出现的概率为47%，而久坐不动的健康男性对照组出现摄氧量平台的概率为24%。Astorino等[9]将摄氧量平台标准定为≤50 ml/min，16名研究对象均出现摄氧量平台。不考虑摄氧量平台确定标准的差异，文献报道摄氧量平台的发生率为0～100%[6-11]，极为不一致。Misquita等[12]报道14名肥胖或超重的绝经后妇女在改良Balke方案测试中出现摄氧量平台，在Bruce方案测试中并未出现摄氧量平台，但两次测试的VO2max结果无明显差异。Midgley等[13]发现16名长跑运动员执行同一GXT方案两次，两次测试的VO2max结果类似，但有6名受试者只在其中一次测试中出现摄氧量平台。基于摄氧量平台出现的不一致性，有研究对VO2max测试中摄氧量平台出现的必要性提出质疑[14]。

1.2 判定VO2max的次级指标标准

在进行GXT时，当摄氧量平台未出现时，研究人员认为有必要明确判断受试者是否力竭，判定VO2max的次级指标是否达标。多年来，最常用的次级指标有RERmax、HRmax、BlAmax和RPE，通常以同时满足2个或以上次级指标的判定标准来确认受试者达到VO2max。对于次级指标的判定标准，文献报道不一，其常用判定标准见表1[15-16]。Poole等[17]以年龄预测最大心率（age predicted maximal heart rate，APMHR）±10为HRmax判定标准，发现达标的5名健康男性受试者仅达到76.0%VO2max，而未达标的3名受试者中有2人达到RERmax≥1.15，其RERmax分别为1.25和1.27，有1名受试者未达到任何次级指标标准，却出现了摄氧量平台，达到VO2max。Midgley等[18]报道20名跑步运动员和自行车运动员中有4人RERmax≥1.10，12人HRmax≥90%APMHR，却均只达到 90%VO2max。Mier等[7]对35名大学生运动员进行跑台GXT，观察到有7名运动员出现了摄氧量平台，其中6名运动员RERmax≥1.15，2名运动员 HRmax≥100%APMHR，6名运动员HRmax为APMHR±10。Magnan等[19]报道以RPE≥18为标准，对240名身体活动缺乏的成人进行跑台GXT，结果发现93.7%的受试者达到该标准，但仅有59%的受试者出现摄氧量平台。这些研究表明有受试者未达到次级指标标准却已经达到力竭，有受试者达到次级指标标准却未达到力竭。这提示次级指标标准存在样本间个体差异性大，缺乏敏感性和有效性的缺点，且不能区分受试者是否出现摄氧量平台。

表1 次级指标的常用判定标准[15-16]

2 Verification phase判定VO2max的新方法

Verification phase的构想出自Thonden等[20]所写的一本书，最初名为 exhaustive phase，书中建议在完成GXT之后，再进行一次超GXT完成最大强度的力竭运动。随后Thonden[21]建议在GXT结束5～15 min后进行verification phase，其运动强度要比GXT最后完成的强度高出一个等级。Niemela等[22]首次报道verification phase的有效性，受试者在完成功率自行车GXT的1周后，以GXT所完成最大功率进行再次力竭运动，结果证实16名男性受试者中的8名达到了VO2max。Day等[10]通过对38名健康男性进行功率自行车GXT，非当日以90%GXT完成最大功率运动至力竭，发现两次测试的VO2max结果均值无明显差异，均为3640 ml/min。Midgley等[13]以16名男性中长跑运动员为研究对象，进行跑台GXT，测试结束后以5 km/h步行10 min，然后以比GXT完成最高速度快0.5 km/h的速度运动至力竭，两次测试的VO2max分别为4041 ml/min和3994 ml/min，不存在显著性差异。随后，研究人员分别以训练有素的运动员、业余运动爱好者、体力活动活跃者、久坐不动者及临床患者等不同人群为受试者，对verification phase的运动方案、运动强度、持续时间、恢复时间、采样时间间隔及判定标准等进行了大量研究[7，17，18]，并证实verification phase能更准确地判定VO2max，具有可靠性。

2.1 Verification phase的运动方案

文献报道[10，23]verification phase的运动方案分为矩形波式和多级式，如图1所示。矩形波式是指受试者完成GXT后，经过一段时间的恢复，以一个超过GXT完成最大强度的固定负荷运动至力竭（图1A）；多级式是指受试者完成GXT后，经过一段时间的恢复，通常以50%GXT完成最大强度运动2 min，70%GXT完成最大强度运动1 min，再以一个超过GXT完成最大强度的固定负荷运动至力竭（图1B）。Midgley等[13]报道16名中长跑运动员完成矩形波式verification phase的最大心率（HRverif）明显低于GXT的HRmax。之后，Midgley等[18]报道10名跑步运动员和10名自行车运动员完成多级式verification phase的HRverif与GXT的HRmax不存在显著性差异，提出若以HRmax-HRverif≤4 bpm作为判定是否达到真正VO2max的标准，多级式verification phase更有效。大量研究[10，23，24]证明矩形波式和多级式verification phase均能判定VO2max，多级式verification phase在临床患者、老年人中更适用。

图1 经典的verification phase运动方案示意图[10，23]

2.2 Verification phase的运动强度

Niemela等[22]最先以GXT所完成最大强度进行verification phase；Day[10]报道以90%GXT完成最大功率进行verification phase；Rossiter等[11]以5名健康男性为研究对象，20 W为起始功率，然后以20 W/min递增，进行GXT，力竭后以20 W运动5 min，再以95%、105%GXT完成最大功率进行矩形波式verification phase，结果发现次最大强度和超最大强度测定的VO2max均与GXT测定的VO2max无显著差异。Hawkins等[25]报道52名训练有素的长跑运动员进行跑台坡度GXT，男、女运动员的起始速度分别为14.5 km/h和12.9 km/h，起始坡度为0，每级2 min，坡度级差幅度为2%，以≥130%GXT完成最大强度进行2～4 min的verification phase，结果显示两次测试的VO2max分别为63.3±6.3 ml/kg/min和62.9±6.2 ml/kg/min，不存在明显差异。之后，大量文献[7，18，26-31]报道采用 90～130%VO2max强度作为verification phase的运动强度，并获得相同的研究结果。Weatherwax等[32]报道对24名高海拔居住的耐力训练运动员进行跑台GXT，20 min后，男、女运动员分别以比GXT完成最大速度快0.64 km/h和0.48 km/h的速度进行verification phase，以个体进行分析，发现24名耐力训练运动员两次测试的VO2max均无显著性差异，但以整体均值进行分析时，GXT测定的VO2max结果显著高于verification phase测定的VO2max。Colakoglu等[33]让9名训练有素的男运动员进行功率自行车GXT，非当日进行矩形波式verification phase，结果发现3名运动员以100%GXT完成最大功率、另6名运动员以105%GXT完成最大功率进行verification phase测定的VO2max显著高于GXT测定的VO2max。Bhammar等[34]以9名肥胖儿童和9名非肥胖儿童为受试者进行功率自行车GXT，静坐15 min，以105%GXT完成最大功率进行verification phase，结果显示肥胖儿童和非肥胖儿童经verification phase测定的VO2max均显著高于GXT测定的VO2max。有学者对选择次最大强度作为verification phase的运动强度持有异议，认为这不符合摄氧量平台的原理[15]。但Poole等[35]早在1988年即报道运动强度超过临界功率（critical power，CP）但低于峰值功率可以激发出VO2max。Jones等[36]发现大于CP的运动属于摄氧动力学的极大强度运动域。Day等[10]认为在两次不同特征的运动测试中，受试者不可能给出完全相同的次最大努力。Pettitt等[37]认为verification phase的持续时间足够长，大于CP的次最大强度将足够激发出VO2max。Sedgeman等[23]报道13名受试者分别以次最大强度（GXT完成最大功率-2×级差幅度）和超最大强度（105%GXT完成最大功率）进行矩形波式verification phase，结果发现以次最大强度和超最大强度进行verification phase判定VO2max的效果等同，与Rossiter等报道一致。目前，如何正确选择verification phase的运动强度，仍尚无统一标准。Beltz等[2]认为每级持续时间短且坡度递增的GXT方案，可能导致更高强度和非常短的verification phase，易使受试者在疲劳之前不能达到VO2max。Pettitt等[37]建议每级持续时间短（1 min）和持续时间长（3 min）的GXT分别采用次最大强度和超最大强度进行verification phase。选择verification phase运动强度的最主要目标是：若受试者在GXT时未达到真正的VO2max，通过verification phase创造一个能使摄氧量达到更高的平台，而不是简单地达到与GXT相同的摄氧量。

2.3 Verification phase的持续时间

Verification phase的持续时间是指从verification phase开始至力竭所需要的时间，与verification phase的运动强度密切相关。Nolan等[28]报道12名体力活动活跃者以105%、115%GXT完成最大强度进行多级式verification phase的持续时间分别为5.57 min和4.82 min。Sedgeman等[23]报道13名受试者以GXT完成最大功率-2×级差幅度、105%GXT完成最大功率的强度进行矩形波式verification phase，持续时间分别为2.20 min和1.28 min。与次最大强度相比，以超最大强度进行verification phase的时间更短，可能没有足够的时间激发出摄氧量平台。最近，Poole等[38]建议以上述运动强度进行verification phase，其持续时间为3～6 min。有文献报道verification phase的持续时间与Sedgeman等报道接近，均短于2 min。Rossiter等[11]报道7名健康成年男性以105%GXT完成最大功率进行verification phase，持续时间为1.47 min。Barker等[16]以13名儿童为研究对象，以105%GXT完成最大功率进行verification phase，持续时间为 1.52 min。Sawyer等[30]报道 19名久坐肥胖者以GXT完成最大功率进行verification phase，其力竭时间为1.91 min，并发现verification phase的持续时间与GXT和verification phase两次测试VO2max的差异无关。不同人群的摄氧动力学特点不同[39]，与健康个体、体力活动活跃者或是训练有素者相比，未经训练的受试者、年长者或临床患者可能需要相对更长的verification phase持续时间。此外，运动方式也是影响verification phase持续时间的因素之一，与跑台相比，功率自行车更易引起局部肌肉疲劳，可能导致相对更短的verification phase持续时间。

2.4 Verification phase与GXT之间的恢复时间

关于自GXT结束到verification phase开始的恢复期的长短，文献报道不一，最常采用的恢复时间为10 min[7，13，18，29，40-41]。Nolan 等[28]对 12 名体力活动活跃的大学生进行坡度GXT后，分别间隔20 min、60 min后，以105%、115%GXT完成最大强度进行verification phase，发现间隔20 min和60 min进行verification phase对VO2max的判定无明显影响，并提出对于体力活动活跃者，20 min恢复时间是足够的。有研究表明受试者在GXT后，历经很短的间隔时间，也能完成verification phase。Foster等[42]报道20名体力活跃者完成功率自行车GXT后，休息1 min，然后以超出GXT完成最大功率25 W的强度进行verification phase；20名训练有素的运动员在跑台GXT结束3 min后，男、女运动员分别以超过GXT完成最大速度1.6 km/h和0.8 km/h的强度进行verification phase，结果发现两组研究对象经GXT和verification phase测试的VO2max均无明显差异。Sedgeman等[23]对13名业余训练者完成功率自行车GXT后，以50 W骑行3 min，再以GXT完成最大功率-2×级差幅度、105%GXT完成最大功率的固定强度完成verification phase，发现以次最大强度和超最大强度进行verification phase对VO2max的判定不存在显著性差异。这些研究提示短的恢复时间适用该类人群，但对于老年人或是临床患者，进行实验设计时，恢复时间应该长些。最近，Poole等[38]建议对于健康个体，verification phase的恢复时间为5～10 min。

2.5 Verification phase的采样时间间隔

目前，关于verification phase的采样时间间隔，15 s、30 s等文献均有报道，但并无研究报道verification phase的采样时间间隔对判定VO2max的影响。Astorino等[9]对16名身体活动活跃者进行渐进式、台阶式和低氧渐进式功率自行车GXT，以每11口气、15 s、30 s和60 s作为平均摄氧量的采样时间间隔，结果显示其摄氧量平台的发生率分别为100%、100%、57%和8%。之后，Astorino[43]以久坐不动者13人、身体活动活跃者48人、短跑运动员和铁人三项运动员48人为研究对象，进行功率自行车或跑台GXT，发现以15 s、30s作为采样时间间隔以及每口气采样法处理得出的VO2max明显高于以60 s作为采样时间间隔处理得出的VO2max。这些研究表明不适当的采样时间间隔会影响verification phase的测试结果，最终导致错误的结论。Robergs等[44]建议以不超过30 s或是每15口气作为采样时间间隔。

2.6 Verification phase判定VO2max的标准

对于verification phase判定VO2max的标准，目前尚未统一。此前大部分研究采用对GXT和verification phase两次测试的VO2max的均值进行统计学分析，若两者不存在统计学差异，则认为通过GXT获得受试者的真实的VO2max。若两者存在统计学差异，亦有研究者们提出对应的处理方案。Colakoglu等[33]报道9名男性自行车选手和田径选手经verification phase测定的VO2max显著高于GXT测定的VO2max，并认为verification phase是激发有效VO2max值的必要测试程序。Bhammar等[34]发现，10～12岁的肥胖儿童和非肥胖儿童经verification phase测定的VO2max显著高于GXT测定值，并提出使用包含GXT和verification phase的方案来测定儿童的VO2max。Noakes等[45]认为以整体均数而非个体的分析方法，存在不能辨别通过GXT未能激发出受试者真实VO2max的情况，并提出个体比较是最合适的方法。Midgley等[13]依据设备厂商报告的测量误差，建议将verification phase测试的最大摄氧量（VO2ver-if）和GXT测试的最大摄氧量（VO2GXT）之差（△VO2）≤2%作为可接受标准。随后，Midgley等[18]依据GXT的VO2与运动负荷相关性曲线的线性部分以最小二乘法线性回归建模得出理想模型最大摄氧量（VO2model），并提出VO2verif与VO2model相差大于VO2与运动负荷之间相关性的线性部分回归斜率的50%作为判定标准。Katch等[46]在2～4周对5名受试者进行平均16次VO2max测试，发现在 ±5.6%的总误差中，生物变异性占其中的93%，测量误差仅占7%。Balady[47]推荐生物变异性对GXT影响的通常可接受范围为3～4%。因此，Beltz等[2]认为Midgley等提出的判定标准没有考虑到VO2max的生物变异性，存在缺陷。若verification phase与GXT之间的恢复时间为数分钟，则生物变异性不能代表VO2max总变异的重要部分。Kirkeberg等[26]基于对同批受试者进行三次不同方案的跑台GXT和verification phase的研究，建议将△VO2≤3%作为判定业余训练者VO2max测试有效性的标准。有研究采用此判定标准，在不同人群中，确认了真实的VO2max[23，27-28，32，40]。 Scharhag-Rosenberger等[41]根据厂商报告测量误差，将△VO2≤5.5%作为判定标准。Mier等[7]使用判定标准△VO2≤2.2 ml/kg/min，通过对GXT未出现摄氧量平台的10名大学生运动员进行verification phase，证实有8名运动员通过GXT测定了真实的VO2max。Saynor等[24]报道囊性纤维化患儿个体△VO2为9%，表明对于某些临床患者，用verification phase判定VO2max时，可能需要放宽判断标准。

2.7 Verification phase判定VO2max的最终取值

使用verification phase判定VO2max，受试者的VO2max最终如何取值，研究者们没有给出明确答案。大多数文献报道VO2verif和VO2GXT不存在统计学差异，那么VO2max的取值是VO2verif或是VO2GXT或是1/2（VO2verif＋VO2GXT）或是三者均可，鲜有研究者在报道中提及。Midgley等[13]报道有4名中长跑运动员在GXT时均出现了摄氧量平台，但△VO2≥3.5%，超过△VO2≤2%的判定VO2max标准，此时可选择 VO2verif或是 1/2（VO2verif＋VO2GXT）作为受试者的VO2max取值。Scharhag-Rosenberger等[41]报道40名健康受试者以110%GXT完成最大速度进行verification phase，△VO2≤5.5%为标准进行判定，结果发现有6名受试者高于此判定标准，其中4人以115%GXT完成最大速度再次进行verification phase，且均满足VO2 verif 2-VO2verif1≤5.5%，提出将VO2verif1作为该4名受试者的VO2max取值。

2.8 Verification phase判定VO2max的敏感性

Midgley等[13]报道16名中长跑运动员的32次GXT，仅有50%出现了摄氧量平台，但以△VO2≤2%为判定VO2max的标准，则81.3%的GXT测定了真实VO2max，有4名受试者在GXT时出现了绝对摄氧量平台，但其△VO2≥3.5%，作者认为与摄氧量平台相比，verification phase是一种更为妥当的判定方法。蒙特利尔大学跑道测试（Université de Montréal Track Test，UMTT）是一项基于跑步能量消耗、可间接测定最大摄氧量的连续多级跑场地测试[48]。Sánchez-Otero等[49]报道12名男性业余耐力跑者在UMTT中，有75%的受试者出现摄氧量平台；有4人未达到HRmax≥95%APMHR和BlAmax≥8 mmol/L；有1名受试者不满足RERmax＞1.1，但这些受试者却均出现了摄氧量平台；以△VO2≤5%作为判定VO2max的标准，则12名受试者均通过GXT测定真实的VO2max。Scharhag-Rosenberger等[41]报道40名受试者进行GXT，仅8人达到RERmax＞1.1，以110%GXT完成最大速度进行首次verification phase后，依据判定标准△VO2≤5.5%，则有（包含满足RERmax＞1.1的8人）34人通过GXT测定了真实VO2max。值得注意的是，在GXT中，有12人出现摄氧量平台，其中2人首次进行verification phase时，其△VO2＞5.5%，据此，作者认为受试者即使在GXT中出现摄氧量平台，也并不意味着所有受试者均达到真实的VO2max，并建议在GXT中出现摄氧量平台的受试者也需要进行verification phase。Dalleck等[27]以18名中老年人为研究对象，以△VO2≤3%为判定标准，通过verification phase判定16名受试者通过GXT测定了真实的VO2max；并认为对于老年人，verification phase是判定VO2max的优选方法。Nolan等[28]报道对12名身体活动活跃者以105%GXT完成最大强度进行verification phase，△VO2≤3%为判定标准，证实所有受试者均通过GXT测定了真实的VO2max。Weatherwax等[32]采用Nolan等报道的判定标准，取得与其相同的实验结果。这些研究表明verification phase作为一种判定VO2max的新方法，具有敏感性，并能极大地提高VO2max测试准确率。

2.9 Verification phase判定VO2max的可靠性

大量文献对verification phase判定VO2max的可靠性进行了研究，Midgley等[13]报道16名受试者VO2verif和VO2GXT的变异系数（coefficient of variation，CV）接近，分别为3.5%和3.9%。Astorino等[50]报道12名久坐不动者在完成GXT后，至少隔24 h，再以105%GXT完成最大功率进行verification phase，24 h后重复verification phase，证实VO2verif的组内相关系数（intraclass correlation，ICC）为0.81。Scharhag-Rosenberger等[41]报道5名受试者以110%GXT完成最大强度进行verification phase，VO2verif的日间差异为0.2%～6.0%，CV为1.8%，ICC为1。Kirkeberg等[26]对12名男性业余训练者以GXT完成最大功率-2×级差幅度进行verification phase，结果显示CV为2.1%，ICC为0.95，与Scharhag-Rosenberger等研究结果相近，均优于之前文献报道。表明与隔日进行verification phase相比，在当日进行verification phase更具可靠性。之后，有学者取得相似研究结果，Sedgeman等[23]报道以次最大强度进行verification phase，CV为2.4%，ICC为0.97。Nolan等[28]报道12名身体活动活跃者以105%GXT完成最大强度进行verification phase，CV和 ICC分别为1.4%和 0.99。Weatherwax等[32]证实24名高海拔居住的耐力训练运动员以超最大强度进行verification phase，CV为1.3%，ICC为0.98。这些研究表明verification phase作为一种判定VO2max的新方法具有可靠性。

3 结论和展望

verification phase作为判定VO2max的新方法，在国外已逐步开展和证实，关于其运动强度、运动方案、持续时间、恢复时间及判定标准等方面的研究也取得阶段性成果。现有的研究结果表明，verification phase是一项实用、敏感、可靠的判定VO2max的新方法，适用于竞技体育、大众健身、临床医学等领域的不同人群。目前国内关于verification phase的研究尚少，仍在起步阶段；国外学者研究verification phase相关标准能否适用于国内人群，仍不得而知。目前尚缺乏一种针对不同人群的可行的verification phase方案。此外，矩形波式和多级式运动方案之间的对比研究，verification phase判定VO2max的标准以及根据个体差异对运动方案进行检查和比较等方面亦有待进一步研究。总之，verification phase作为判定VO2max的新方法，能够更准确地判定和反映VO2max真实值。随着相关研究的不断深入，verification phase在运动生理学和临床医学领域将显现出更加广阔的应用前景。