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心率变异阈:推测超重/肥胖青年女性通气阈的有效方法

2020-11-24黄传业潘明玲

中国运动医学杂志 2020年9期
关键词:一致性受试者心率

黄传业 潘明玲

1 山东体育学院研究生教育学院(济南250102)

2 山东体育学院运动与健康学院(济南250102)

通气阈(ventilatory threshold,VT)是制定适宜运动负荷/强度,有效提高运动表现,预防运动损伤和过度训练的关键依据[1]。在递增负荷运动中,根据通气水平与摄氧量开始非线性增加的拐点来判定VT,通气法已成为非创伤性判定无氧阈的“金标准”[2]。然而这种方法需要昂贵的气体代谢分析仪和经验丰富的技术人员。近些年相关研究发现,随着运动强度逐渐增加,交感神经兴奋性逐渐增强,而副交感神经发生后撤(with⁃draw)的变化拐点,即心率变异阈(HRVT)[3],是副交感神经兴奋占优势向交感神经兴奋占优势的转折点[4]。

已有研究报道,不同人群HRVT 与VT具有较高一致性[4-6]。HRVT 可能是反映VT 的可靠、简易方法。然而早期关于肥胖中年女性的研究中,基于递增负荷运动中HRV 高频功率(high-frequency power,HFP)变化所判定的HRVT 相应强度显著低于VT[7]。尽管安静状态下HFP 主要反映了副交感神经兴奋性,但是运动引起过度通气干扰了HFP分析[8],以及运动等级负荷等因素可能削弱了肥胖成年女性HRVT 预测VT 有效性。目前相关研究资料十分匮乏,有待进一步验证。

研究发现,当运动接近HRVT时,副交感神经对心血管系统仍具有保护作用,将降低运动风险事件发生[3]。HRVT 可作为低体力活动者、心血管疾病患者安全运动的临界强度,对于制定个性化运动处方具有指导作用。鉴于HRVT 在运动和康复领域的应用前景,本研究通过跑台递增运动测试验证超重/肥胖青年女性HRVT 与VT 的一致性,为HRVT 在运动实践中推广应用提供方法学依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

根据世界卫生组织(WHO)关于亚洲地区超重/肥胖人群体重指数判定标准[9,10],通过海报招募,从济南历城区选取16 名超重或肥胖青年女子(年龄20.8 ±1.2 岁,身高167.1 ± 6.0 cm,体重71.5 ± 5.6 kg,BMI 25.8 ± 1.4 kg/m2,体脂百分比31.3% ± 1.8%,收缩压111.2 ± 7.2 mmHg,舒张压70.8 ± 6.6 mmHg,VO2peak34.4 ± 2.9 ml/kg/min,HRpeak191.4 ± 7.9 beats/min)为研究对象。所有受试者无规律性体育锻炼习惯,无任何呼吸系统疾病、心血管疾病等慢性疾病或临床症状,未服用任何药物。受试者了解本研究内容及实验流程后,自愿参与本研究并签署知情同意书。本研究得到了学校人体与动物运动科学伦理委员会许可。

1.2 实验设计

参考美国运动医学会(ACSM)“健康评价和风险评估”方法[11],制定健康和身体活动问卷,排除各种慢性疾病,筛选无规律性体育锻炼者,进行一般身体形态和医学机能检查。进行预实验后,所有受试者均完成一次逐级递增负荷跑台(Pulsar,h/p/cosmos,Germany)运动,确定其摄氧量峰值(VO2peak)、峰值心率(HRpeak)和通气阈(VT)。采用心率表(Polar RS800cx,Kempele,Fin⁃land)记录递增负荷运动中HR和R-R间期信号。R-R间期信号分析HRV参数,包括相邻R-R间期差值的均方根(RMSSD)和非线性分析Poincaré 散点图短轴参数SD1。Time-varying 分析运动中RMSSD和SD1时序变化特征判定HRVT。比较受试者VT 与HRVT 对应心率(HR)和摄氧量(VO2)结果一致性。由两名实验技术人员独立判定VT和HRVT,取平均值进行分析;若两人的判定结果不一致(差异值>3%)时,由第三名研究人员进行核对判定。

受试者实验前2天不做任何剧烈运动。运动测试当日饮食清淡,不饮用含有咖啡因或酒精类饮料。运动测试前3 h 禁食。所有测试在温度(26.1°C ± 0.6°C)和湿度(50.5% ± 6.9%)相对恒定的实验室中进行。

1.3 形态学测试

采用电子身高体重计(HHTC/ST-300,China)测量受试者身高和体重,体重指数(BMI)=体重(kg)/身高(m)2。使用欧姆龙体成分分析仪(KaradaScan HBF-371,Japan)测试受试者体脂百分比,受试者在测试前禁食3 h,取两次测试结果的平均值。

1.4 运动测试

改良Domingo等[12]研究中跑台递增运动方案,测试VO2peak和VT,同时记录受试者运动中HR和R-R间期信号。起始速度为7 km/h,每分钟增加0.8 km/h,当受试者运动心率达到90%最大心率预测值(220-年龄)时,保持速度不变,每1 min 增加0.8%坡度,至受试者无法维持既定跑速为止。采用CORTEX便携式气体代谢分析仪(Metamax3B,Biophysik GmbH,Leipzig,Germa⁃ny),每口气法分析运动气体代谢水平。正式使用前,根据仪器使用说明书对气体代谢分析仪进行压力、容量和标准气体校正。VO2peak为每30 s 平均摄氧量(VO2)的最高值。根据Gaskill等[13]研究,综合使用等价通气当量、过量CO2和V-slop 三种方法,提高判定VT的准确性和可信度。同时确定受试者VT 相应的心率(VT-HR)和摄氧量(VT-VO2)。

1.5 HRVT判定

Polar RS800cx 心率表记录递增负荷运动中HR 和R-R间期信号,采样频率为1000 Hz[12,14]。通过PolarTM⁃Protrainer 软件(Polar Electro)下载R-R 间期信号,Ku⁃biosTMHRV Premium 3.1.0 软 件(Biomedical Signal Analysis Group of Applied Physics,University of Kuo⁃pio,Finland)修正伪差后,通过Time-varying HRV 分析递增负荷运动中每1 min R-R间期信号[12]。因RMSSD和SD1 主要反映副交感神经兴奋性,且受呼吸运动影响小[8],主要根据RMSSD 和SD1时序变化拐点判定HRVT(图1和图2)。RMSSD 判定HRVT(TRMSSD)标准:在相邻两个负荷等级阶段,RMSSD值趋于平稳,不再显著性降低的起始拐点即为HRVT[15]。SD1判定HRVT(TSD1)标准:连续两个负荷等级SD1差值低于1 ms,SD1不再发生显著性变化的起始拐点即为HRVT[16]。同时分别确定TRMSSD与TSD1相应的运动HR(TRMSSD-HR、TSD1-HR)和VO2(TRMSSD-VO2、TSD1- VO2)。

图1 受试者TRMSSD推算VT示意图

图2 受试者TSD1推算VT示意图

1.6 统计学分析

采用SPSS 21.0和MedCalc11.4进行数据统计。数据是否符合正态分布采用Kolmogorov-Smirnov 检验。采用单因素重复测量方差分析比较3种方法结果的差异性,当主效应呈显著性差异时,使用Bonerroni进行组间比较分析。采用Pearson 相关分析两种测试结果的相关性。为了进一步验证HRVT推测VT的有效性,采用Bland-Altman散点图分析结果一致性。所有数据均采用平均值±标准差(±s)表示,P<0.05 为差异具有统计学意义。

2 结果

所有受试者均完成递增负荷运动测试。根据递增负荷运动中RMSSD 和SD1时间变化趋势,分别判定HRVT 相应的HR、%HR2peak、VO2、%VO2peak与VT-HR、VT-%HR2peak、VT-VO2、VT-%VO2peak差异无统计学意义(P>0.05,表1)。Pearson 相关分析结果(表2)表明,HRVT(TRMSSD与TSD1)相应的HR、VO2分别与VT-HR、VT-VO2呈正相关(P<0.05)。

表1 受试者VT和HRVT对应各指标均值比较(n=16)

表2 受试者VT与HRVT相应的HR、VO2相关系数(n=16)

为了进一步分析TRMSSD和TSD1推测通气阈的有效性,采用Bland-Altman 散点图(图3~6)分析发现,测试结果均值偏差极小(趋近于0),散点介于95%一致性界限(± 1.96s)内,表明结果一致性高。

图3 VT-HR与TRMSSD-HR散点图(n=16)

图4 VT-HR与TSD1-HR散点图(n=16)

图6 VT-VO2与TSD1-VO2散点图(n=16)

3 讨论

本研究通过RMSSD 和SD1观察到,超重/肥胖青年女性副交感神经兴奋性随运动强度增加而逐渐降低,运动强度分别接近58.0%VO2peak和57.5%VO2peak时,RMSSD 与SD1趋于平稳,不再明显降低,此变化拐点(HRVT)相应运动强度与VT强度高度吻合。结果支持了Queiroz 等的研究报道:RMSSD、SD1判定的HRVT 与VT 具有较好的一致性,与受试者身体质量指数(BMI)无关[4]。虽然超重/肥胖个体表现出过高交感神经兴奋性[17],但是未能削弱HRVT推测VT的有效性。

与本研究结果不同,Shibata 等通过HRV高频功率(HFP)判定肥胖中年女性HRVT,其相应运动强度低于VT(P<0.05)[7]。有研究报道,运动中HFP 受呼吸频率与潮气量影响;当运动接近VT 时,呼吸频率增高可导致低估HFP,但RMSSD 和SD1受呼吸运动影响较小[8]。采用不同HRV(时域、频域或非线性)参数判定HRVT是造成研究结果不一致的可能原因。

本研究Bland-Altman散点图分析结果提示,HRVT与VT相应的HR、VO2具有较高的一致性。然而,Quin⁃art 等采用每3 min 小负荷逐级递增(男15 W,女10 W)功率车运动,基于RMSSD 确定的TRMSSD-HR 与VTHR 高度相关,但是TRMSSD-HR 与VT-HR 存在较大差异(bias=21.90 beats/min)[18]。运动方案特征不同也可能影响HRVT 推测VT 强度的有效性。本研究采用每1 min 逐级递增跑台运动方案,受试者基本在9~12 min内完成运动至力竭。在Quinart 等的研究中,每级负荷运动3 min 可获得较为稳定的R-R 信号,但是相邻两级负荷运动心率增加幅度大(约为15 beats/min)[18]。另外,这种小负荷递增负荷踏车运动持续时间较长(约25 min运动结束)[18],可能引起下肢肌肉过早疲劳以及心理压力,反而增大判定TRMSSD-HR与VT-HR的不确定性。Cunha等研究似乎进一步拓展了上述观点,该研究设计了跑步、步行和蹬车3 种个性化递增负荷运动方案,均采用每1 min逐级递增负荷,递增运动力竭时间控制在8~12 min,结果显示3 种递增负荷运动中判定的HRVT与VT均表现较高一致性[19]。如何优化运动方案提高HRVT推测VT的效度有待今后深入探讨。

在本研究中,超重/肥胖青年女性VT和HRVT出现时间基本吻合现象,可能是运动骨骼肌神经代谢(neu⁃romentabolic)和中枢神经系统整合作用的结果[20]。研究发现,当运动强度达到50%~60%VO2peak时,副交感神经对HR调控完全后撤,此时糖酵解速率开始增大并出现乳酸堆积,相应地引起通气量和CO2排出量呈非线性增加,以缓冲代谢酸性物质[15]。此外,大强度运动使更多Ⅱ型肌纤维被募集,通过肌肉Ⅲ型和Ⅳ型神经纤维(压力感受器和代谢性感受器)兴奋将信息上传至中枢神经系统,反射性引起副交感神经兴奋性降低,交感神经兴奋性增加[21]。副交感神经后撤致使HRV减小、HR增加,从而引起心输出量增加,促进运动骨骼肌血液重新再分配,以满足肌肉能量代谢需求[22]。VT 与HRVT出现时间点相吻合的生理学机制仍有待进一步阐明。

VT-HR 常被用于设定有氧运动强度。本研究Bland-altmand散点图分析结果显示,超重/肥胖青年女性HRVT 对应HR 与VT-HR 均值偏差低于3 beats/min。这与正常体重者获得的HRVT 和VT相应心率的一致性相近或更高[4,19]。尽管本研究未验证RMSSD与SD1确定HRVT的可靠性,但是早期肥胖少年[6]、健康青年[3]和中老年人[23]HRVT研究证据表明,基于RMSSD或SD1判定的HRVT 结果表现出较高的重复性。与乳酸阈和通气阈不同,HRVT操作简单、经济,不需要昂贵仪器设备。使用心率遥测表记录的R-R 间隔信号,通过软件分析递增负荷运动过程中HRV 的时序变化特征推测VT。

综上所述,HRVT 也是推测超重/肥胖青年女性VT的可行替代方法。但在实际应用中,要综合考虑递增负荷运动方案、HRV参数选择等因素的限制,从而提高HRVT 反映VT 的有效性。另一方面,当运动超过HRVT 强度时,副交感神经将完全受抑制[7],增大运动心脏事件发生几率。HRVT 对具有高危风险并发症的超重/肥胖个体运动强度制定具有重要参考价值。本研究未观察超重/肥胖青年女性运动训练前后HRVT的变化,HRVT能否反映运动训练后适应性变化有待今后深入探讨。

4 总结

本研究基于RMSSD 和SD1判定超重/肥胖青年女性HRVT 相应的运动强度与VT 具有较高一致性,HRVT可能是推测超重/肥胖青年女性通气阈的有效替代方法。优化运动测试方案,提高HRVT判定有效性,将有利于HRVT推广应用于超重/肥胖人群运动控体重和个性化运动训练监控。

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