运用verification phase判定男大学生最大摄氧量的研究

2021-04-26贺晓玉温英英

中国运动医学杂志 2021年2期

贺晓玉温英英

广东省体育科学研究所（广州510663）

心肺适能（cardiorespiratory fitness，CRF）被认为是全因死亡率和心血管疾病死亡率的最佳个人预测指标之一[1]。目前，最广泛认可的CRF测量方法是评估有氧能力[2]。最大摄氧量（maximal oxygen uptake，VO2max）是评价心肺功能和有氧能力的金指标[3]，也是影响耐力运动表现的重要因素[4]，常用于评价训练计划的有效性，评估运动员体能或耐力表现改善的效果。如何准确地测量VO2max尤为重要。递增负荷运动测试（grad⁃ed exercise test，GXT）是最常用于测定VO2max的方法。VO2平台是判定VO2max的金标准，然而，文献[5]报道VO2平台的标准不一，其发生率极不一致。另有学者[6]对VO2平台出现的必要性提出质疑。若GXT 未出现VO2平台，需要使用次级指标判定受试者是否力竭，以确定VO2max。次级指标如最大呼吸商（maximal respiratory exchange ratio，RERmax）、最大心率（maximal heart rate，HRmax）、最大血乳酸（maximal blood lactate concentra⁃tion，BLAmax）和主观体力感觉等级（rate of perceived exertion，RPE）在受试者间存在较大的个体差异性，受试者可能在力竭之前达到一个或数个次级指标标准，造成VO2max的低估，因此受到研究人员质疑。

基于上述判定方法的缺陷，有学者提出运用verifi⁃cation phase来判定VO2max，并在运动生理学、临床医学领域进行了研究，初步证实verification phase 可以作为判定VO2max的新方法[7-9]。目前国内关于这方面的研究鲜有报道，国外学者研究verification phase 的相关结论是否适用于国内人群尚不得而知。

本研究运用verification phase 对13 名男大学生的VO2max进行判定，为verification phase的应用提供依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

招募13 名广东体育职业技术学院的男大学生作为受试者，要求身体健康，无心血管系统、呼吸系统、代谢性疾病等。至少每周3 次、每次30min、中等强度及以上体力活动。受试者基本情况见表1。受试者了解测试内容并明确其中风险与义务后，自愿参与本实验并签订知情同意书。

表1 受试者基本情况（n=13）

1.2 实验器材

无线遥测运动心肺测试仪（Cosmed k5，Italy）、运动跑台（H/p/comos，German）、乳酸分析仪（EKF Bio⁃sen C line，German）、人体成分分析仪（InBody770，Ko⁃rea）、心率带（Garmin，USA）等。

1.3 观察指标

最大摄氧量（VO2max）、相对最大摄氧量（VO2max/kg）、最大心率（HRmax）、最大呼吸商（RERmax）、最大血乳酸（BLAmax）、Borg 疲劳指数（RPE）、最大通气量（VEmax）及运动时间（Time）等。

1.4 实验方法

1.4.1 测试方案和环境

受试者需要来实验室2次，第1次完成基本数据采集以及熟悉跑台、心肺仪和测试程序等。第2 次正式测试，需连续4天内完成，测试时间为上午9:30～11:30、下午14:30～17:00。受试者到达实验室后，拉伸和准备活动5 min，然后佩戴Garmin 心率带，穿戴Cosmed k5主机及采样装置，达到测试要求后开始测试。

受试者先进行GXT，休息20 min，再进行verifica⁃tion phase。告知受试者测试前24 h 禁止大强度运动和熬夜，禁止吸烟和摄入酒精性饮品，6 h 内不要摄入咖啡因，测试前2 h完成进食。

所有测试在广东省体育科学研究所生理实验室完成，测试时环境温度控制在22℃～26℃，相对湿度控制在50%～60%。

1.4.2 两次力竭运动测试

GXT：设定跑台初始速度为8 km/h、初始坡度为0.5%，速度每级递增0.6 km/h，坡度每级递增0.5%，每级维持1 min，达到14.6 km/h时只递增坡度，至受试者力竭。

Verification phase：GXT结束后，休息20 min，保持完成GXT 的最大坡度不变；以50%完成GXT 的最大速度维持2 min，以70%完成GXT 的最大速度维持1 min，以完成GXT 的最大速度+0.6 km/h 的速度至受试者力竭[7，10]。

1.4.3 测试指标采集

测试前将Cosmed k5 开机预热30 min，按照仪器使用说明进行流量定标、CO2归零、标准气体定标以及呼吸延迟时间校准等调试。采用每口气法（breath by breath）对整个测试过程进行呼吸气体分析，实时监测VO2、RER、VE、HR 等指标。记录每级末、运动结束即刻RPE值。受试者力竭、经鼓励无法继续运动时，操作Omnia 系统终止测试。在测试结束1 min 内进行血乳酸测试，拭去手指第1 滴血后再采集测定，测试前对EKF Biosen C line乳酸分析仪进行预热和校准。

1.4.4 VO2max判定指标标准

VO2max现行判定指标标准[5]：①出现VO2平台，VO2值相差≤2.1 ml·kg-1·min-1；②HRmax≥（220－年龄）bpm；③RERmax≥1.10；④BLAmax≥8 mmol·L-1；⑤RPE≥18。

Verification phase 判定VO2max 的标准：根据文献[8]，并参考厂商报告Cosmed K5的测量误差，将verifica⁃tion phase测试的最大摄氧量（VO2verif）与GXT测试的最大摄氧量（VO2GXT）差异，即△VO2（100%）在±3.0%范围内（△VO2<±3.0%）作为判定标准。

1.5 数据处理

1.5.1 最大值取值

参考文献[9，11]，采用15s 间隔平均法对GXT 的VO2原始数据进行处理，将两个连续最高VO2值的平均值作为最大摄氧量的取值；同法处理其他呼吸气体代谢指标。采用5 s 间隔平均法对GXT 的HR 原始数据进行处理，将最高值作为最大心率的取值。同样方法处理verification phase的原始数据，得出各指标的最大值。

1.5.2 统计学分析

数据表示为均值±标准差（x±s），采用GraphPad Prism 8、SPSS 22.0 进行统计学分析，统计方法采用配对t检验，P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 GXT与verification phase力竭状态下观察指标比较

由表2可知，在GXT和verification phase 两次力竭测试中，VO2max的绝对值和相对值均无显著性差异（P>0.05），HRmax、RERmax、BLAmax、RPE、VEmax均无显著性差异（P>0.05）。GXT 的力竭时间显著长于verification phase（P<0.05）。

表2 GXT和verification phase力竭状态下观察指标比较（n=13）

2.2 现行判定指标与verification phase达标结果分析

在GXT中，13名受试者均出现VO2平台（发生率为100%）。9 名（69.2%）受试者达到HRmax 判定标准，8名（61.5%）受试者的RERmax大于1.10，12 名（92.3%）受试者的BLAmax超过8 mmol·L-1，另1名受试者的BLAmax为6.39 mmol·L-1。7 名（53.8%）受试者的RPE≥18，其余6名受试者的RPE为15～17。11名（84.6%）受试者达到△VO2<±3.0%的判定标准，另2 名受试者的△VO2分别为3.1%和3.4%。具体判定情况见表3。

表3 现行指标与verification phase判定受试者VO2max情况

2.3 Verification phase判定VO2max

所有13 名受试者均完成GXT 和verification phase共两次力竭测试，典型受试者在GXT、verification phase中的VO2反应如图1所示。其中11名受试者两次力竭测试的△VO2在±3.0%内，符合verification phase 判定VO2max的标准，即11名（84.6%）受试者通过GXT测定出真实的VO2max。另外2名受试者两次力竭测试的△VO2分别为3.1%和3.4%。13 名受试者两次力竭测试VO2max 的个体值和均值如图2 所示。据此初步判定，达标的11 名受试者的VO2max可取值为GXT、verifica⁃tion phase 两次测试VO2max 的均值或任一测试的VO2max值，即1/2（VO2verif＋VO2GXT）或VO2verif或VO2GXT；另2 名受试者的VO2max 可取值为verification phase 测试的VO2max值或GXT、verification phase 两次测试VO2max的均值，即VO2verif或1/2（VO2verif＋VO2GXT）。

图1 典型受试者在GXT和verification phase中的VO2反应

图2 13名受试者经GXT、verification phase测定的VO2max

3 讨论

3.1 VO2max现行判定指标的缺陷

VO2平台是判定VO2max的金标准，但文献[5]报道VO2平台的标准不一，VO2平台的出现率也极不一致。研究[3，12-14]表明，除VO2平台标准外，受试者年龄与运动方式、VO2数据处理方法、受试者体能，以及GXT 负荷方案等因素均会影响VO2平台的出现率。Mier 等[15]报道35名大学生运动员完成跑台GXT，仅有5人出现VO2平台。本研究采用VO2值相差≤2.1 ml·kg-1·min-1作为判断VO2平台的标准，证实13名受试者均出现VO2平台，与Mier等报道的VO2平台出现率相差较大。可能与选择不同的VO2平台标准、VO2数据处理方法等有关。有研究者[6]对VO2平台出现的必要性提出质疑。当GXT未出现VO2平台时，需要使用次级指标判断受试者是否力竭，以判定VO2max。目前，次级指标标准尚未统一，且在受试者间存在较大的个体差异性。Poole等[16]发现7名受试者的RERmax为1.24，VO2max为4.03 L·min-1。若以RERmax≥1.10 作为标准，则VO2为2.97 L·min-1；以RERmax≥1.15 为标准，则VO2为3.41 L·min-1，均明显低于受试者的真实VO2max。研究还发现有1 名受试者未达到任何次级指标标准却出现VO2平台。Midgley 等[7]报道有4名受试者的RERmax≥1.10，12 名受试者的HRmax≥90%（220-年龄），均只达到90%VO2max；有4名受试者RERmax≥1.15，8 名受试者HRmax≥95%（220-年龄），却只达到95%VO2max。Magnan 等[17]报道，93.7%的受试者达到RPE≥18，却仅有59%的受试者出现VO2平台。这些研究表明，可能有受试者已达到次级指标标准却未力竭，导致受试者VO2max被低估。而另有受试者已经力竭却未达到次级指标标准，而且次级指标无法区分受试者是否出现VO2平台。本研究中13名受试者均出现VO2平台，却只有9 人达到HRmax标准，8 人达到RERmax标准，12人达到BLAmax标准，7人达到RPE标准，这也反映出有受试者达到力竭却不满足次级指标标准，以及次级指标不能辨别受试者是否出现VO2平台。一项针对运动生理学领域的问卷调查发现，52%的受访者依据“自身想法、惯例”等主观概念进行VO2max评估和数据处理，认为次级指标标准的选择依据缺乏客观性[12]。

3.2 Verification phase判定VO2max的标准

由于VO2平台与次级指标存在上述缺陷，导致研究人员对现行判定指标的有效性产生质疑。研究人员从规避上述缺陷的角度考虑，提出并证实verification phase可以作为判定VO2max的新方法[7-9]。目前，verifica⁃tion phase 判定VO2max的标准尚未统一，大部分文献通过对GXT、verification phase 两次测试的VO2max 进行整体统计分析，若两者无显著性差异（P＞0.05），则判定所有受试者通过GXT 获得真实的VO2max。Noakes 等[18]认为整体分析可能掩盖GXT未能激发出受试者真实VO2max的情形，造成假阳性结果，提出个体比较是最合适的方法。此说法得到越来越多研究者们的认同。Balady 等[19]认为生物变异性对GXT 影响的通常可接受范围为3%～4%。Beltz 等[3]认为verification phase 与GXT 的间隔时间短，则生物变异性不占VO2max总变异的重要部分。Weatherwax 等[20]认为，verification phase与GXT 间隔20 min，生物变异性对VO2max的影响可忽略。因此，大多数研究者通常将运动心肺测试系统的测量误差作为verification phase判定VO2max的标准。本研究也采用该判定标准，依据厂商报告运动心肺测试仪的测量误差为<3.0%，将△VO2<±3.0%作为verifica⁃tion phase 判定VO2max的标准。结果显示有11 名（11/13）受试者通过GXT 测定出真实的VO2max，这与Sedge⁃man 等[21]采用相同判定标准所获得的研究结果相似。Weatherwax等[20]以△VO2<±3.0%为判定标准，发现所有24 名（18 男、6 女）受试者均通过GXT 测定出真实的VO2max，可能与该研究选取专业耐力运动员作为受试者等因素有关，并提示运用verification phase 判定VO2max不存在性别差异。本研究中另有2名受试者在GXT中出现VO2平台，但△VO2分别为3.1%和3.4%，提示受试者即使在GXT 中出现VO2平台，可能也并不一定达到真实的VO2max。有必要对GXT 中出现VO2平台的受试者也进行verification phase。这与Scharhag-Rosenberg⁃er等[9]的观点一致。使用verification phase判定VO2max，受试者的VO2max最终如何取值，鲜有研究者在文献中提及。Midgley等[22]报道4名中长跑运动员在GXT时均出现了VO2平台，但△VO2≥3.5%，超过△VO2≤2%的判定VO2max的标准，此时可选择VO2verif或1/2（VO2verif＋VO2GXT）作为受试者的VO2max取值。因此，本研究提出受试者的VO2max取值方案为：达标的11名受试者的VO2max可取值为1/2（VO2verif＋VO2GXT）或VO2verif或VO2GXT；另2名受试者的VO2max可取值为VO2verif或1/2（VO2verif＋VO2GXT）。

3.3 Verification phase的负荷方案

Verification phase 的负荷方式、运动时间、运动强度以及verification phase 与GXT的间隔时间是verifica⁃tion phase负荷方案的开展要素。文献[9，11]报道，采用矩形波式、多级式负荷方案进行verification phase，均能判定VO2max。Faisal 等[23]报道，预先的中等强度和大强度运动可以加快摄氧动力学。Jones 等[24]认为，预先的大强度运动可以改善随后超最大强度时的运动表现。为使受试者在verification phase 中持续运动足够长时间以激发出VO2max，避免力竭前因疲劳而终止运动，本研究采用多级式负荷方案。Midgley 等[7]报道，10 名男性跑步运动员完成跑台多级式verification phase 的时间为4.5 min，本研究中13 名受试者完成verification phase 的时间为5.04 min，与Midgley 等报道相近。No⁃lan 等[8]报道，以105%GXT 最大强度进行跑台多级式verification phase，判定全部12 名（6 男、6 女）受试者经GXT 测定了真实的VO2max；以110%GXT 最大强度进行跑台多级式verification phase，证实8 名（性别不详）受试者经GXT 测定了真实的VO2max，表明选择不同的运动强度会影响verification phase判定VO2max的结果。文献[25]报道男性受试者进行verification phase 的运动强度一般为：坡度维持在0.4%～1%，比受试者完成GXT的最大速度快0.5～1.6 km/h 的速度。而本研究中9 名受试者完成GXT的最大坡度为4.5%或5%，1名受试者完成GXT 的最大坡度达6%，与文献报道相差较大，所以本研究中verification phase 的运动强度设定为：完成GXT 的最大坡度和比受试者完成GXT 的最大速度快0.6 km/h的速度，结果显示11名（11/13）受试者经GXT测定了真实的VO2max，另2名受试者是否存在比本研究更适合的运动强度需要进一步探究。Sedgeman等[21]发现，分别以次最大强度、超最大强度进行功率车verifi⁃cation phase，均证实10 名（10/13）受试者通过GXT 测定了真实的VO2max。采用次最大强度、超最大强度进行跑台verification phase 能否取得类似的判定结果，有待下一步研究。

Verification phase与GXT的间隔时间过短，受试者可能得不到充分恢复，导致疲劳提早发生，从而影响verification phase 对VO2max的判定。Nolan 等[8]报道12名体力活动活跃者完成坡度GXT 后，分别间隔20 min、60 min再进行verification phase，发现两种时间间隔对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。有文献[26]报道12 名训练有素的男运动员在跑台GXT 结束3 min 后，以超过完成GXT 的最大速度1.6 km/h 的速度进行verifica⁃tion phase，发现12 名受试者均经GXT 测定了真实的VO2max。本研究中13名受试者在GXT结束20 min后均完成了verification phase，并判定11名受试者经GXT测定了真实的VO2max，也支持了Nolan 等[8]关于verifica⁃tion phase与GXT的间隔时间的结论，可能与研究对象相似有关。然而，verification phase 与GXT的间隔时间若更短些（如10 min），是否会影响verification phase的判定结果，需要进一步研究。