体育锻炼的量化标准与实践应用

编者按：

对不同标准用语进行适度统一，有助于提高科研管理体系的方便性和有效性，强化使用者知识的系统性和内在联系。在运动科学领域，以美国运动医学学会(ACSM)前主席Knuttgen 教授为代表的国际学者合作建立了运动表现量化的“国际系统”(international system，SI)，用于呈现研究数据的度量单位。该系统已被几乎所有的国内外运动科学领域期刊认可用于发表研究数据。Qualification and Description of Physical Exercise一文，已于去年发表在American Journal of physical medicine and Rehabilitation，西班牙文版也已出版。经knuttgen 教授授权，本刊特推出中文版本。中文版本由北京体育大学王正珍教授翻译，同时撰写了体育锻炼的量化和描述如何用于运动实践的评论。本刊推出此稿希望能够推动中国运动科学领域研究数据报告的标准化，挖掘已发表的研究成果的价值。

体育锻炼的量化与描述

Qualification and Description of Physical Exercise

霍华德·G·克努特根1，王正珍2

Howard G.Knuttgen1，WANG Zhengzhen2

DOI:10.15942/j.jcsu.2020.03.019

第一作者简介：霍华德·G·克努特根，博士，教授，研究方向:运动表现的生理学原理。E-mail:hknuttgen@partners.org。

作者单位：1.哈佛大学医学院运动医学与康复学院，美国 波士顿；2.北京体育大学，北京1000084

1.Department of Physical Medicine and Rehabilitation，Harvard University Medical School，Boston，Massachusetts，USA；2.Beijing Sport University，Beijing 100084

收稿日期:2020 -03 -10

修回日期：2020 -04 -27

体育锻炼是运动医学、物理治疗学和康复实践中的核心治疗方式，而康复则是旨在改善功能性运动能力的有计划、有组织，可重复和有目的的肌肉活动。康复可以使患有多种疾病的患者受益，例如神经系统损伤、肌肉骨骼疾病、心肺疾病、癌症以及很多其他疾病。此外，多种类型的残障人士和残奥运动员也在进行这样的康复锻炼。体育锻炼的肌肉活动包括向心性、离心性和等长骨骼肌活动及其组合[1]。为了使不同类型的研究报告程序标准化，以及对科学研究论文提出的要求保持一致，研究人员必须遵守标准术语，这一点至关重要。不使用适当的术语和使用不适当的度量标准可能会对交流产生不利影响。在不同医疗专业人员必须交流和讨论康复干预措施的临床环境中，对术语的标准化需求也很明显。

1 国际单位

20 世纪60 年代首次提出的运动表现量化的国际系统(international system，SI)[2]现在已经被广泛接受。用于量化运动的单位是重量(克，千克)、力(牛顿)、能量(焦耳)、功(焦耳)、热量(焦耳)、距离(米)、扭矩(牛顿米)、体积(升)、时间(小时、分钟、秒)和功率(瓦)，详见表1。牛顿是力的基本单位，但在研究文献中很少出现，因为“自选重量”和配重力量练习器(weight stack machine plates)的重量是按千克制造和标记的。在地球大部分表面上，抵抗地球引力提起1 kg 重量的力等于9.81 N。

能量、功和热是相互关联的，因此具有相同的定量单位，即焦耳。用下述公式表述与运动有关的能量关系:

能量(J)=功(J) +热(J)。由骨骼肌细胞释放能量而引起的身体活动可能导致做机械功。如果由于肌肉活动而没有做任何机械功，则所有能量将转化为热量。对于动态的人类运动来说，典型的机械效率是20%，也就是说在生成的5 J 能量中，1 J用于完成机械功、4 J 表现为身体产热。

表1 SI 的基本单位和派生单位Table 1 The basic units and derived units of SI

2 人的动作表现

力量即最大力量和扭矩。可以针对人体的每一次运动进行力量的测量。力量在某种程度上取决于运动的速度。DeLorme[3]在1945 年提出使用“最大重复次数”来进行力量评估和锻炼项目设计。通过对抗自由重物或练习器械施加力或扭矩的练习做至力竭时(几乎无法执行的抵抗力或扭矩)所能完成的重复次数(R)，被称为“最大重复次数”(RM)。在关节的整个活动范围内，只能完成1 次的最大负荷被确定为特定运动的1 RM，并被定义为个人完成该动作的最大力量。动作的肌肉耐力通常被量化为个人几乎无法完成给定次数重复动作(例如10 RM)的重量。

涉及大量肌肉活动的有氧运动，例如步行、跑步、骑自行车、越野滑雪，以及在跑步机、椭圆机、划船机上的周期性运动和其他耐力运动器械上进行的运动，在很大程度上取决于从肺部输送到运动肌肉的氧气量。

通过使用特殊的记功计进行下肢“骑车”运动[4]，可以评估受试者从长时间(例如20 min 或更长时间)到最大力量和扭矩发展(如RM)的整个功率产生过程。图1 展示了代谢功率(metabolic power)与受试者传递给记功计的机械功率的关系。在不同运动强度下，肌肉细胞中的代谢功率(mechanical power)分别可以从碳水化合物和脂肪的有氧代谢、无氧代谢(伴随着乳酸的产生)，或直接从高能磷酸盐(ATP 和CP)中获得。

图1 代谢功率与机械功率的关系Figure 1 Relationship between metabolic power and mechanical power

在较低强度运动中，肌肉仅通过碳水化合物和脂肪的有氧代谢提供能量(例如，在图1 例中，机械功率在450 W 时)。通过肺活量测定法测量有氧代谢，并将其确定为摄氧量(VO2)，以l/ min 为单位。在受试者逐渐达到最大摄氧量(VO2max)过程中，肌肉中的能量代谢逐渐转向碳水化合物的无氧代谢，同时乳酸在肌肉中产生并进入血液循环。在450 W 至1 300 W 之间，运动中的能量主要来源于无氧糖酵解，而超过1 000 W 的运动中越来越多的能量来自储存在骨骼肌细胞中的高能磷酸盐，即ATP 和CP，并且在20 s 内消耗殆尽。

3 运动处方

大多数用于体能和康复的运动项目都以力量发展和有氧(心血管)适能或两者结合为目标[5]。因为肌肉力量和有氧能力位于肌肉力量连续体系的两端(图1)，所以运动项目的设计必须明确地针对要进行的具体运动，内容包括运动强度、持续时间、频率(每天和每周)和运动类型，以获得最佳效果。力量练习项目包括自由重量训练或使用高阻力的器械，在两种情况下，运动都限于在力竭前每组重复的次数(通常少于20 次)。有氧运动涉及长时间(例如10～40 min)大肌群数百至数千次连续重复运动，这就向运动肌肉的氧气输送能力提出了更高的要求。慢性生理适应和项目设计中的变量与所执行的运动类型高度相关。

力量练习能力主要与2 型(快肌纤维)骨骼肌细胞的募集有关，后者将通过增加横截面积、无氧代谢能力和增强肌肉力量来表达系统训练的效果。有氧运动依赖于1 型(慢肌纤维)骨骼肌细胞，可以通过适当的有计划的训练来改善细胞中氧化过程以及心肺系统输送氧气的能力。

图1 中受试者在不同强度下的运动情况显示，受试者进行持续数小时至数分钟300～450 W 强度的运动可以改善有氧能力和心血管能力。力量练习运动处方将涉及1 000～1 400 W(例如20 RM～1 RM)强度的运动。对各种其他运动和相关肌肉的测试将产生各种各样的力量值，必须通过系统的测试来确定。

术语“功”绝不能替代“运动”，因为在SI中将“功”专门定义为力与位移的乘积，而不是持续肌肉活动的乘积。如果显示的度量单位是“功率”(W)，则不应使用“工作负荷”一词。严格遵守SI的定义将确保术语的标准化，并使全球科学界间的学术交流更容易理解。

参考文献

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[2]BUREAU INTERNATIONAL DES POIDS ETMESURES.LeSystème International d'Unités (SI)，3rd ed.Sèvres，France，1977.

[3]DELORMETL.Restoration of muscle power by heavy resistance exercises[J].J Bone J Surg，1945，27:645 -667.

[4]KNUTTGEN H G，PATTON J F，VOGELJA.An ergometer for concentric and eccentric muscular exercise[J].J Appl Physiol，1982，53(3):784 -788.

[5]KNUTTGEN HG.Strength training and aerobic exercise:comparison and contrast[J].J Strength Cond Res，2007，21(3):973-978.

“体育锻炼的量化与描述”在运动实践中的应用

Practical Applications of Qualification and Description of Physical Exercise

王正珍

WANG Zhengzhen

基金项目：国家重点研发计划重大慢性非传染性疾病防控研究专项基金资助(2016YFC1300202)。

作者简介：王正珍，博士，教授，研究方向:大众健身理论与应用，慢性疾病运动干预。E-mail:zhengzhenwang1005@126.com。

作者单位：北京体育大学，北京100084

Beijing Sport University，Beijing 100084

多年来Howard G.Knuttgen 教授一直致力于推动体育锻炼标准术语[1-6]，这对于在运动科学领域中的科研、教学和应用有着至关重要的意义。科学的术语标准不仅可以对不同标准用语的定义进行统一，而且有利于优化标准和标准体系的结构，缩减论文的篇幅，提高论文的可读性，提高科研管理体系的方便性和有效性，同时还可以“提纯”使用者的知识，强化使用者知识的系统性和内在联系[7]。

运动科学中的一个持续存在的问题是科学家没有用统一的标准呈现研究数据的度量单位。为了消除这一问题，以Knuttgen 教授为代表的运动科学领域的学者通过国际合作建立了统一的科学计量报告系统，即运动表现量化的“国际系统” (international system，SI)。SI已被几乎国内外所有运动科学和运动医学期刊认可用于发表研究数据[4，8]。SI可确保科学数据报告的标准化，并易于比较已发表研究成果的价值。

在Knuttgen 教授所推广的运动表现量化的“国际系统”中指出，能量、功和热是相互关联的，因此具有相同的定量单位，即焦耳(J)。运动中或体力活动中，由骨骼肌细胞释放能量而引起的身体活动可能导致做机械功。如果由于肌肉活动而没有做任何机械功，则所有能量将转化为热量。对于动态的人类运动来说，典型的机械效率是20%，也就是说在生成的5 J 能量中，1 J 用于完成机械功和4 J表现为身体产热。这一点应引起我们的关注。在运动实践中，机械效率随着运动强度的增加有所提高，但是多数情况下机械效率维持在20%～25%[9]，3/4～4/5 的能量以热的形式散发，在不同环境温湿度和风速、运动强度和持续时间、运动者的水合状态以及服装的透气性等条件下，运动者的散热程度则有所不同，这将对运动表现、运动者疲劳恢复和健康水平带来影响[10-11]。

效率描述了将能源消耗转化为功率的能力，它表示为完成的功率与投入工作的能量之比。效率高的人使用更少的精力来完成相同的工作量。运动生理学家长期以来一直在寻找数学上描述人体运动效率的方法。尽管已使用总效率、净效率、增量效率和瞬时效率的度量来描述运动效率，但最常见和最简单的表示之一是净效率。运动的净效率定义为做功的能量消耗与运动的能量消耗之比，并以百分比表示:

净效率%=做功的能量消耗/运动的能量消耗×100

没有一种机器是100%高效的，因为运动部件的摩擦会损失一些能量。同样，人体运动也不是100%高效的，因为部分能量是以热量的形式损失的。在自行车测功计上进行锻炼的人的净效率为15%～27%，具体取决于运动时功率的大小等因素。运动的效率受以下因素影响:(1)运动的功率。运动的效率随着功率的增加而降低[12]。这是因为在宽泛的功率输出范围内，能量消耗和功率之间的关系是曲线而不是线性的。然而，在低至中等的功率(＜200 W)范围内，该关系接近线性。相反，当在整个功率输出范围内观察这种关系时，二者则呈现曲线关系，随着功率的增加，身体总能量消耗与功率成比例地增加，也就是说在较高功率输出时效率较低。(2)运动的速度。在更高的功率输出下，需要更大的运动速度才能获得最佳效率。在低至中等的工作速度下，在手臂或脚踏功率车测功时通常认为40～60 rpm 的转速是最佳的速度，当偏离最佳速度时会导致效率降低。低速运动时，运动缓慢并且四肢反复停止和启动会导致效率的下降，从而可能导致执行功率的能量成本增加。与高速运动相关联的效率下降(在低至中等的工作速度下)可能是因为提高速度可能增加肌肉摩擦，从而增加内部的能量消耗；(3)进行运动的肌肉纤维构成。最新证据表明，慢肌纤维比例高的受试者与快肌纤维比例高的受试者相比，运动效率更高。慢肌肌纤维比快肌纤维更有效率，与快肌纤维相比，慢肌纤维每执行的单位工作需要更少的ATP。

Knuttgen 教授文中非常清楚地阐明了作为力量评估和锻炼项目设计的“最大重复次数”(RM)和只能完成1 次(1 RM)的最大负荷的关系。在关节的整个活动范围内，只能完成一次的最大负荷被确定为特定运动的1 RM，并被定义为个人完成该动作的最大力量。动作的肌肉耐力通常被量化为个人几乎不能执行给定次数重复动作(例如10 RM)的重量。

在Knuttgen 教授文中另一个特别值得关注的问题是“运动处方”。在国家大力倡导“加强体育运动指导，推广运动处方，发挥体育锻炼在疾病防治以及健康促进等方面的积极作用”的形势下，运动处方的规范化和标准化就显得十分重要。国家运动处方库建设课题组关于运动处方的定义是[13]:“运动处方(Exercise Prescription)是由运动处方师(Instructor of Exercise Prescription)依据运动处方需求者的健康信息、医学检查、运动风险筛查、体质测试结果，以规定的运动频率、强度、时间、方式、总运动量以及进阶，形成目的明确、系统性、个体化健康促进及疾病防治的运动指导方案”。这个定义说明了运动处方的实施者、实施对象、运动处方制定前应该获取的信息、运动处方的基本内容和运动处方的主要特点。有氧运动和力量练习是实现运动处方实施目的的主要运动方式。按照世界卫生组织及多个国家的身体活动指南[14-16]，为了维持健康和预防疾病，每周应进行150～300 min 中等强度，或者75～150 min 较大强度的有氧运动，2～3 次力量练习。在运动处方的原则中，运动强度的分级和量化是一个重要内容，有氧运动和力量练习运动强度的分类及常用方法见表1。这样可以使得在运动处方相关研究和应用中的描述和交流更加方便、有效，并且便于比较。

表1 主观用力分级(RPE)量表与相对运动强度[17]Table 1 Rating of rating of perceived exertion (RPE) scale and relative exercise intensity

在体育锻炼的研究和应用中，术语、定义、相关的量化与描述的统一是专业标准的重要组成部分和重要工具，这些“参数——指标”应考虑与国际上通用的名词接轨，以利于研究结果的呈现和国际交流。我们应该清楚地认识到“体育锻炼的量化与描述”的重要性，以便在教学和科研工作中正确地使用和更有效地进行交流。

参考文献

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[15]世界卫生组织.关于身体活动有益健康的全球建议[EB/OL].(2010 -10 -01)[2020 -4 -13].https://www.who.int/dietphysicalactivity/publications/9789241599979/zh/.

[16]PHYSICAL ACTIVITY GUIDELINES ADVISORY COMMITTEE.Physical Activity Guidelines Advisory Committee Scientific Report，2018.Washington，DC:U.S.Department of Health and Human Services；2018.

[17]王正珍主译.ACSM 运动测试与运动处方指南(第10 版)[M].北京:北京体育大学出版社，2019.

Editor's note

Scientific terminology standards can unify the definitions of different standard terms，which is conducive to optimizing the structure of standards and standard systems，improving the readability of papers，improving the convenience and effectiveness of scientific research management systems，and strengthening the systematic and inner relationship of user knowledge.In the field of sports science，international scholars，represented by Professor Knuttgen，the former chairman of the American College of Sports Medicine (ACSM)，have collaborated to establish an "international system" (SI) for quantifying athletic performance，which is a unit of measurement for presenting research data.The system has been approved by almost all domestic and foreign sports science journals for publishing research data.Qualification and Description of Physical Exercise has been translated into Chinese by Professor Wang Zhengzhen of Beijing Sport University.At the same time，he writes a comment on how to quantify and describe physical exercise in sports practice.It is hoped that the endeavor can promote the standardization of research data reports in the field of sports science in China to discover the value of published research results.