仅通过一次超大强度测试预测最大累积氧亏的可靠性研究

2021-12-01杨俊超奥航陈雨扬李新元许春艳邱俊强

中国运动医学杂志 2021年9期

杨俊超奥航陈雨扬李新元许春艳邱俊强

北京体育大学（北京100084）

1 前言

最大累积氧亏（maximal accumulated oxygen deficit，MAOD）是指在一次性超大强度运动中累积氧亏达到的最大值[1]，被公认为是评价无氧能力的金标准[2]。无氧能力是评价运动表现的重要指标，特别是对于短距离运动项目[3]。研究者对无氧能力的评定方法进行了广泛的实证研究，除了MAOD，还有临界功率（critical power，CP）和总效率（gross efficiency，GE）等指标被人熟知。

1988年，Medbø等[4]提出了测定MAOD 的原始方案，包括恒定负荷测试和超大强度测试两个核心部分：（1）恒定负荷试验，即在坡度为6°（10.5%）的跑台上完成20次（35%～90%VO2max）、每次持续10 min的亚极限测试，以此建立摄氧量-输出功率（VO2-PO）线性关系；（2）超大强度测试，即持续时间2～3 min 的恒定输出功率全力测试。该方案同时还可以测定受试者的最大摄氧量和运动经济性，但整体来说过程耗时且繁琐。因此，在实际应用过程中，简化或替代MAOD原始方案具有重要的研究意义。

当机体产生氧亏时由无氧代谢（无氧乳酸和无氧非乳酸）供能[5]，其中无氧乳酸部分可以利用运动中净累积血乳酸计算（ELa）[6]。另外，根据Margaria 等[7]提出的氧债学说，无氧非乳酸部分可以通过运动后过量氧耗的快速部分计算（EPOCFAST）。已有研究证明，运动中净累积血乳酸和运动后过量氧耗的快速部分相加（MAODALT）可以等同于MAOD[8]。但采用氧债法计算无氧非乳酸部分供能，意味着运动员在高强度运动结束后还要持续佩戴气体代谢分析仪，例如6 min[9]或10 min[10]。同时，超大强度运动后，运动员继续佩戴仪器可能引起极度不适，导致测试中断。

因此，越简单且可靠的MAOD 测试方法越能在实际运用过程中具有优势，特别是针对精英级的运动员。Henry等[11，12]在1956年发现运动开始阶段的VO2同样包含无氧非乳酸部分，且在高强度运动中VO2和肌肉磷酸肌酸浓度动力曲线的一致性在10%以内[13]。鉴于此，本研究在一次性超大强度中利用Medbø法计算的MAOD验证净累积血乳酸（ELa）和摄氧量动力曲线快速部分VO2（EPCr）计算的MAODALT是否可靠。

2 方法

2.1 研究对象

16 名400 米跑男性专项运动员，包括1 名健将、4名1级运动员和11名2级运动员（表1）。研究期间，所有受试者均只进行恢复性运动。受试者在实验前由实验负责人告知实验流程、测试风险和测试要求等，并签署知情同意书。本实验得到了北京体育大学伦理审查委员会批准。

表1 受试者基本资料

2.2 实验设计

所有受试者共进行5 次运动测试，包括递增负荷测试、恒定负荷测试（5级：50%、60%、70%、80%和90%VO2max）和3 次超大强度测试（110%VO2max）。每两次运动测试之间至少间隔48～72 小时。温度20℃～24℃，并且测试至少在受试者餐后2小时进行。在测试前48小时内，要求受试者避免力竭运动和摄入酒精等[14]。

受试者身体成分采用数字化双能量X 光检测仪（iDxa，USA）测定。递增负荷测试、恒定负荷测试和超大强度测试过程中的代谢气体采用便携式气体代谢仪（MetaMax 3B，Cortex Biophysic，Leipzig，Germany）收集。测试前按照仪器使用要求进行气压、气体（标准气体浓度O2为15.00%，CO2为5.00%）和气量（气筒容积为3 L）校准。采集受试者递增负荷测试结束后即刻，以及超大强度测试前和测试后1、4、7、10 min 的指尖血[15]，使用血乳酸分析仪（Biosen S-line lab ，EKF Diagnostic，Barleben，Germany）分析。

2.3 递增负荷测试

受试者在实验室内跑台（H/p/cosmos，German）上进行测试，递增负荷测试方案：受试者以10 km/h 开始，每2 min增加1 km/h，运动至力竭后停止[16]。递增负荷测试过程中跑台坡度设置为1%[17]，受试者佩戴便携式气体代谢分析仪。测试结果满足以下2个及以上即可判断为力竭[18，19]：最后两级之间的VO2增加≤2.1 ml/kg/min，运动后血乳酸≥8.0 mmol/L，呼吸交换率≥1.10 或心率处于最大心率（220－年龄）的±10 beats/min之间。

2.4 恒定负荷测试

受试者到达实验室，休息5 min 后，佩戴便携式气体代谢分析仪测定坐姿安静VO2，时间持续10 min，取第6～10 min的VO2均值作为受试者静息摄氧量。根据递增负荷测试的最大摄氧量强度，受试者完成5 级恒定负荷测试（50%、60%、70%、80%和90%VO2max），每级持续10 min，跑台坡度设置为1%[17]。每完成1 级负荷后，立即取下面罩，在1 min内完成指尖血采集。休息4 min 后，受试者戴上面罩，直到VO2恢复至与上级运动前VO2差值在3 ml/kg/min 以内，才令受试者进行下一级恒定负荷测试[20]。取每级负荷的8～10 minVO2的均值与其对应的负荷强度（速度）进行线性拟合。

2.5 超大强度测试

受试者进行3 次超大强度测试，即要求受试者以110%VO2max负荷，在坡度1%的跑台上运动至力竭（≥2 min）[21]。其中第1 次超大强度为基础测试（first test，FT），第2 次与第1 次超大强度测试的时间相同（second test，ST）），第3 次测试为时间不做限定的测试（third test，TT）。每2次测试之间相隔72小时，保证两次测试的时间段一致。在每次测试前，以8 km/h 的速度热身5 min后进行拉伸。采集受试者运动前和运动后1、4、7、10 min指尖血[15]。

2.6 MAOD计算

根据Medbø提出的测试方法，最大累积氧亏=理论摄氧量－实际摄氧量。其中理论摄氧量是由摄氧量－输出功率（VO2-PO）预测方程推算而来，实际摄氧量则是受试者在超大强度运动中的实际VO2，采用便携式气体代谢分析仪分析。本研究采用“5+Y”方法拟合Y=aX+b方程（VO2-PO方程），其中a为回归方程线的斜率，参数b即“Y”截距，代表安静时受试者的VO2（图1）。

仅通过一次超大强度测试计算最大累积氧亏（MAODALT），即MAODALT相当于磷酸原（EPCr，无氧非乳酸部分）和糖酵解（ELa，无氧乳酸部分）代谢的氧气当量总和。糖酵解（ELa）代谢氧气当量根据运动过程产生的乳酸进行换算，即无氧乳酸部分（ml/kg）=超大强度测试净累积血乳酸×氧气-乳酸换算系数，氧气-乳酸换算系数为3.0 ml/kg/mmol·l[22]。EPCr等于运动中摄氧量快速部分的供能（VO2FAST），根据VO2动力模型计算（公式2[12]）。考虑到跑台加速到既定速度需要10～20 s，因此更符合二阶段模型（公式1[12]），即VO2动力学三阶段模型中的第一阶段不再参与计算。将FT、ST 和TT 测试中的breath×breath气体代谢数据按秒导出[23]，同时为了增强非线性曲线的拟合度，令FT和ST的超大强度测试数据以开始运动时间作为起点对齐后平均，最终把FT、FT+ST和TT测试数据代入公式1进行拟合。

VO2（t）= VO2（b）+A1×（1-EXP-（t-TD1）/τ1）+A2×（1- EXP（-（t-TD2）/τ2））（公式1）

EPcr= A1·τ1（公式2）

其中，VO2（b）为安静值，A为渐进幅度，τ为阶段对应的时间常数。1和2代表的为运动中VO2快速和慢速部分，由于二阶段模型（公式1）相比于三阶段模型省去了摄氧量动力学模型第一阶段，故TD1=0（图1）。

图1 本研究中A受试者摄氧量-速度拟合和超大强度摄氧量动力学拟合曲线图

2.7 数据统计与分析

利用SPSS 21.0软件对数据进行统计学处理，线性和非线性曲线采用GraphPad Prism 8进行拟合。统计结果以平均数±标准差（Mean ± SD）表示。采用Shapiro-Wilk检验数据是否为正态分布。采用配对样本t检验判断MAOD 与MAODALT的差异；单因素方差分析判断FT、FT+ST和TT测试间摄氧量动力学曲线参数的差异，Bonferroni post hoc test 方法对3 次测试拟合的参数两两比较。此外，采用Bland-Altman 法评估MAOD与MAODALT之间的一致性。统计显著性水平设置为0.05。

3 结果

递增负荷测试结果显示所有受试者均满足力竭标准，VO2max为57.44 ± 2.79 ml/kg/min，对应的强度为16.44 ± 0.86 km/h（表2）。

表2 递增负荷测试中各指标结果

本研究采用“5+Y”拟合摄氧量-速度线性相关方程，Y（静息摄氧量）为5.60 ± 0.50 ml/kg/min，斜率为3.28 ± 0.19，R2为0.96 ± 0.03。

超大强度测试的摄氧量动力学模型各参数拟合结果显示，FT、FT+ST 和TT 测试各参数拟合结果差异均无统计学意义（P＞0.05）；但FT+ST的R2均大于FT和TT（P＜0.05）（表3）。

表3 摄氧量动力学模型各参数拟合结果

FT 测试的MAOD 为3.52 ± 1.04 L，MAODALT为2.90 ± 0.60 L，差异无统计学意义（P=0.065）；FT+ST测试的MAOD 为3.58 ± 0.95 L，MAODALT为3.08 ±0.67 L，差异无统计学意义（P=0.062）；TT 测试的MAOD 为3.26 ± 0.90 L，MAODALT为3.22 ± 0.77 L，差异无统计学意义（P=0.889）（图2）。FT测试中的MAODALT无氧无乳酸占比为19.65% ± 11.32%，无氧乳酸占比80.35% ± 11.32%；FT+ST测试中的MAODALT无氧无乳酸占比为20.53% ± 8.43%，无氧乳酸占比79.47% ±8.43%；TT 测试中的MAODALT无氧无乳酸占比为17.89% ± 9.12%，无氧乳酸占比82.11% ± 9.12%。

Bland-Altman 法的一致性检验结果显示，FT测试中MAOD与MAODALT差值的均值为0.62 L，95%一致性界限（95%LoA）的上限为3.04 L，下限为－1.82 L；FT+ST 测试中MAOD 与MAODALT差值的均值为0.49 L，95%一致性界限（95%LoA）的上限为2.40 L，下限为－1.42 L；TT测试中MAOD 与MAODALT差值的均值为0.04 L，95%一致性界限（95%LoA）的上限为2.32 L，下限为－2.23L。本研究所观察样本均落在95%一致性界限范围内，说明2种计算方法的一致性较好（图2）。

图2 FT、FT+ST和TT测试MAOD和MAODALT比较和Bland-Altman 散点图

4 讨论

本研究的研究对象为中等水平400 米跑运动员，各测试MAOD 和MAODALT值分别在3.26～3.58 L 和2.90～3.22 L 之间，而Weber 等[21]研究中无训练男性超大强度（110%VO2max）模式下测量结果为3.01 ± 0.11 L。除受试者训练水平不同造成与本研究测量结果差异外，也可能是由于其研究采用功率自行车，而本研究采用跑台运动模式。另外，本研究测量结果低于训练有素的自行车和铁人三项运动员（4.18 ± 0.95 L）[24]，可能是由于本研究400米跑运动员专项特点或训练水平不同所致。

如果从人体能量供应来源于三大供能系统的角度出发，MAODALT法可以称之为磷酸肌酸-乳酸-氧气法（phosphocreatine-lactate-oxygen，PCr-La-O2）[25]。需要明确的是无氧乳酸部分的能量供应计算本身存在局限性，即通过氧气-乳酸换算系数是经验预测，并不能精确地反映出糖酵解系统的真实供能[6]。本研究氧气-乳酸换算系数的大小选择3.0 ml/kg/mmol·l[26，27]，但Valenzuela等[28]选择3.3 ml/kg/mmol·l进行计算的研究结果同样表明MAOD和MAODALT可以相互替代，目前未见有研究在计算MAODALT时采用5.2 ml/kg/mmol·l[29]。本文采用了摄氧量动力曲线快速部分计算无氧非乳酸部分能量，结果显示无氧非乳酸部分占MAODALT比例在17.89%～20.53%之间，这与Bertuzzi 等[8]测定的9名未经训练的受试者结果相近（22%）。本研究根据Lamarra等[30]重复测量可减小呼吸波动的建议，即令第2次超大强度测试时间与第1次相同，并将两次测试开始运动时间作为起点对齐后平均再进行拟合，结果也验证了这种方法会增强摄氧量动力曲线的拟合度。另外，考虑到受试者多次完成超大强度测试的力竭时间极有可能不同，因此令受试者进行了第3次超大强度力竭测试，其结果显示摄氧量动力学曲线各参数没有显著性变化。因此，若时间受限，仅进行一次超大强度测试即可。

目前的研究在对MAODALT方法进行可靠性验证时，通常以Medbø法测量的MAOD 结果作为标准。本研究采用了“5+Y”法预测VO2-PO 方程，即测试5 级恒定负荷（每级负荷运动10 min），且固定Y截距（静息摄氧量）以增加MAOD 测量结果的精确性。已有数据表明“4+Y”法可得到精确的MAOD 值[31]。有研究者采用“5+Y”法探究每级负荷持续运动时间对MAOD 的影响，其结果发现以4～6 min、6～8 min或8～10 min摄氧量推算的MAOD 无统计学差异[32]，但Green 等[33]的研究结果发现，持续时间≤6 min 会影响VO2-PO 线性关系，因此，本研究每级负荷的运动时间仍然持续10 min。本研究拟合VO2-PO方程的R2值为0.96 ± 0.03，低于已有研究数据[20，34]，但固定Y截距后使斜率的95%置信区间范围减小；也有少数研究者认为95%置信区间范围大小才是评价是否精确计算MAOD 的标准[35]。本研究受试者在超大强度测试中运动时间均大于2 min，满足达到最大累积氧亏的时间条件[4]。Bertuzzi 等[8]研究测试了6 级负荷，没有固定Y 截距，其结果显示MAODALT可以估算最大累积氧亏。但即便如此，未来的研究在简化MAOD原始方案时，应充分考虑其可靠性。

迄今为止，MAOD是应用最广泛，也是无创评定无氧能力的最佳指标[2]。本研究仅通过一次超大强度运动来测定MAOD，省略了恒定负荷测试，能够较大程度地节省测试时间，有利于大样本测试和高水平运动队的推广。且可以将无氧非乳酸部分和乳酸部分的供能分别进行测量，这在实际应用过程中也具有重要意义，例如某些营养策略能提高受试者的最大累积氧亏[36]，则通过MAODALT法就可以更加具体地了解到无氧非乳酸部分和乳酸部分的改变比例。

但影响MAODALT法测试结果精度降低的因素较多，尤其体现在摄氧量测量和动力学曲线拟合以及乳酸测量方面，因此在测量过程中可参照以下注意事项：（1）严格按照便携式气体代谢分析仪的使用规范，使用前对气压、气体和气量行校准，告知受试者在测试过程中尽量保持呼吸平稳，这样可以较大程度地减少VO2异常数值；（2）在摄氧量动力曲线拟合过程中，在时间允许的情况下可进行相同时间的重测以增加拟合度，且采用两位研究者“背靠背”的方法处理数据和判断各参数初始值；（3）尽量增大运动后血乳酸采集密度，例如每隔30s采集1次[24]。