800/1000米跑评价16~18岁中学生心肺耐力的有效性研究

2022-06-26刘海云张一民王亚林

中国运动医学杂志 2022年4期

刘海云张一民王亚林

1北京体育大学运动与体质健康教育部重点实验室（北京 100084）

2北京一零一中学（北京 100086）

研究表明，心肺耐力（cardiorespiratory fitness，CRF）是反映人群身体活动水平的一个重要生理指标，不仅在降低心血管疾病死亡率和全因死亡率方面具有重要意义，而且在预防癌症，降低心肌梗死、高血压、糖尿病、房颤、心力衰竭、中风发生率等方面也发挥重要作用[1]。2016年美国心脏协会（American Heart Associ-ation，AHA）发表的一项声明中强调，CRF不仅比吸烟、高血压、高血脂和Ⅱ型糖尿病更能准确预测因疾病而导致的死亡，还能代替传统的健康风险指标对健康状况进行预测和评估[2]。

儿童青少年时期具有较高的CRF水平能够有效降低心血管疾病发生风险，如肥胖、高血压、血脂异常与胰岛素抵抗等[3]。多项研究[4]表明，儿童青少年时期CRF不佳与成年后代谢综合征、动脉硬化和心肌梗死的高发风险有很高的相关性，这些不良影响可成为后续“健康”问题的源头[5]。研究还发现，CRF也与儿童青少年的认知能力[6]、心理健康[7]和生活满意度[8]呈正相关。当前，CRF评估是流行病学研究和运动医务监督的重要环节，通过评估CRF可明确机体运动功能水平，发现早期的功能紊乱、潜在的病理变化，提高诊断心血管疾病的灵敏性[9]。因此，有效评价青少年CRF是当前青少年体质健康研究亟待解决的关键技术之一。

最大摄氧量（maximal oxygen uptake，VO2max）是反映人体心肺耐力最直接而有效的指标，其直接测试法——递增负荷运动试验（graded exercise text，GXT）利用精密的气体代谢分析仪，分析运动强度逐渐增大的过程中机体心脏、肺、肌肉对氧气的摄取、转运和利用能力，所获取的VO2max常作为心肺耐力的金标准。

我国从1985年起一直采用800米跑（女）、1000米跑（男）作为评价青少年耐力素质的指标方法，积累了30多年的实践经验与监测数据，并形成了年龄、性别的分层评价标准，此标准制作简便、解读清晰，具有较高的横向比较价值[10]。该方法不仅能够反映心肺耐力水平，而且能够体现学生顽强的精神毅力，培养学生的意志品质。同时，800/1000米跑测试规则简单、明确，测试设备操作简便，测试效率高，符合我国学生体质测试的国情特点。但是，有部分学生难以承受800、1000米跑的运动强度，所以有专家对该方法提出了质疑。

因此，本研究在验证800/1000米跑评价心肺耐力有效性的基础上，探索800/1000米跑成绩推测VO2max的回归模型以及VO2max的评价等级，以提升和扩展800/1000米跑测试结果评价的有效性，从而进一步提高该方法的应用价值。

1 对象与方法

1.1 研究对象

随机选取北京市某中学70名（男45名、女25名）16~18岁高中生作为建立800/1000米跑推测VO2max回归模型的实验对象，并通过北京市3008名（男生1609名、女生1399名）同年龄段学生的800/1000米跑成绩建立VO2max评价等级。纳入标准为身体健康，无心血管系统、呼吸系统、代谢性疾病，且本人及家长均同意参与实验并签署知情同意书。受试者基本情况见表1。

表1 受试者基本情况

1.2 研究方法

1.2.1 递增负荷运动试验（graded exercise text，GXT）

使用德国Cortex MetaMax 3B-R2便携式气体代谢分析仪、德国h/p/cosmos Pulsar跑台、Polar心率带，在室内进行GXT，以此来获得最大摄氧量（maximal oxy-gen uptake，VO2max、VO2max/kg）、最大心率（maximum heart rate，HRmax）、呼吸商（maximum respiratory ex-change ratio，RERmax）等心肺功能指标。

测试方案为改良版Bruce方案[11]，如表2所示。测试过程中监控并记录安静心率、每一等级末心率、主观感觉疲劳程度（rating of perceived exertion，RPE）以及完成测试的总时间。

表2 递增负荷运动试验方案

终止标准[12]：1.心率达到最大值（208－0.7×年龄）[13]；2.呼吸交换率（RER）大于1.10[14]；3.摄氧量随运动强度增加而出现平台（相邻两次负荷摄氧量之差小于2 ml/kg/min）或下降；4.受试者经反复鼓励仍无力保持规定的负荷继续运动；5.Borg主观疲劳感觉（RPE）等级达到17以上[15]。以上情况出现其中3种，测试即结束。

1.2.2 800/1000米跑测试

使用德国Cortex MetaMax 3B-R2便携式气体代谢分析仪、Polar心率带、秒表、发令旗，在标准400米田径场进行测试，当受试者躯干到达终点线时停表，记录跑步时间、询问主观感觉疲劳程度（RPE），并测得最大摄氧量（VO2max、VO2max/kg）、最大心率（HRmax）、呼吸商（RE-Rmax）等心肺功能指标。

采用10 s间隔平均法对GXT和800/1000米跑的VO2数据进行处理，将3个连续最高VO2值（30 s）的平均值作为VO2max的取值，同法处理其他气体代谢指标；采用5 s间隔平均法对HR数据进行处理，将最高值作为HRmax的取值，其他指标取最大值[16]。

1.3 数据处理

采用SPSS 22.0软件进行数据分析，所有数据以x±s表示。GXT和800/1000米跑测试结果间的差异性分析采用配对样本t检验，相关性分析采用Pearson相关。本研究以GXT测得的VO2max作为效标，按照中国人13~19岁VO2max评价表[11]对受试者进行分组，男生≥51.0 ml/kg/min为优秀组，<51.0 ml/kg/min的为中等组；女生≥39.0 ml/kg/min的为优秀组，<39.0 ml/kg/min的为中等组[17]，绘制800/1000米跑VO2max/kg实测值的受试者工作特征曲线（receiver operating characteristic curve，ROC），以此来检验800/1000米跑评价中学生心肺耐力的准确度。ROC曲线[18]是一种把灵敏度和特异度结合起来综合评价判别准确度的一种方法，灵敏度和特异度的值均介于0和1之间，其值越大说明该方法评价心肺耐力的准确度越高；ROC曲线下面积（area under curve，AUC）的大小介于0.1和1之间，其值越大说明该方法评价心肺耐力的价值越大。本研究以性别×时间、体重等为自变量，运用多元逐步回归分析建立800/1000米跑推测VO2max的回归模型；再通过3008名16~18岁中学生的800/1000米跑成绩推算个体VO2max，并采用离差法建立VO2max评价等级。离差法[19]是一种科学、实用的相对评价标准，适用在同一群体中进行比较，它是将平均数作为基准值，标准差作为离散距，对能力和水平进行分等级评价，数据要求服从正态分布。本研究将理论百分数确定为10%、15%、50%、15%、10%，建立了优、良、中、下、差5个评价等级。P<0.05表示具有统计学意义。

2 结果

2.1 GXT和800/1000米跑测试结果比较

如表3所示，800/1000米跑测试与GXT的VO2max、VO2max/kg、HRmax、RPEmax、时间之间的差异均有统计学意义（P<0.05），且除HRmax外，其余指标均低于GXT。相关性分析结果显示，800/1000米跑测试与GXT的VO2max、VO2max/kg呈中度相关（P<0.05）。

表3 GXT和800/1000米跑测试结果比较

2.2 800/1000米跑测试VO2max的灵敏度、特异度检验

如表4、图1所示，ROC曲线下面积（AUC）为0.897（95%CI：0.823~0.972），灵敏度为97.2%，特异度为70.6%。

表4 800/1000米跑测量VO2max的ROC曲线分析结果

图1 800/1000米跑测试VO2max的ROC曲线

2.3 800/1000米跑推测VO2max的回归模型

2.3.1 回归模型的建立

以性别×时间、体重等为自变量，运用多元逐步回归分析建立800/1000米跑推测VO2max的回归模型。根据分析所得回归模型如下：模型1：VO2max（L/min）=4.434－0.005×性别（男1，女2）×时间（s）（R 2=0.546，SEE=0.539 L/min）;模型2：VO2max（L/min）=1.640－0.004×性别（男1，女2）×时间（s）+0.037×体重（kg）（R 2=0.703，SEE=0.440 L/min）。模型1、2的判定系数R 2分别为0.546和0.703，可以看出模型2优于模型1，之后对模型2进一步检验。

2.3.2 回归模型的检验

通过对模型2进行拟合优度检验、方差分析、残差分析，以及对自变量的偏回归系数进行检验、共线性诊断，结果均达到统计学要求（P<0.01），如表5、6所示。这说明因变量与自变量存在线性关系，残差与自变量互为独立性良好，且自变量间不存在自相关，模型也不存在近似共线性问题。

表5 模型2的拟合优度检验、方差分析以及残差分析结果

表6 模型2自变量的偏回归系数检验以及共线性诊断结果

另选取13名（男生6名、女生7名）16~18岁的中学生，分别进行GXT和800/1000米跑测试，对模型2进行回代检验。实测值和推测值的关系数为0.963（P<0.01），说明推测值与实测值的相关性较高且具有统计学意义，见表7。以上统计结果表明模型2是本研究推测16~18岁中学生VO2max的最优回归模型。

表7 样本外回代检验结果（n=13）

2.4 VO2max评价等级的建立

参考评价等级的建立是采用北京市2018~2020年3008名（男生1609名、女生1399名）16~18岁中学生的800/1000米成绩，将性别、时间、体重值代入回归模型2，得到VO2max推测值，男生3.17±0.46 L/min，女生1.79±0.35 L/min。男生和女生的VO2max推测值之间的差异具有统计学意义（P<0.01），VO2max推测值也符合正态分布（P>0.05）。再通过离差法建立参考评价标准。结果如表8所示。

表8 16~18岁中学生VO2max的参考评价等级（L/min）

为了验证所得评价等级是否符合实际情况，按照建模样本80%与验证样本20%的原则，另外随机选取2020年北京市752名16~18岁中学生的800/1000米跑成绩，对评价等级进行验证。由表9可以看出，优、差等级的男、女生人数达到或接近10%，良、下等级的男、女生人数达到或接近15%，中等级的男、女生人数达到或接近50%，显示参考评价等级符合理论设定的标准。

表9 16~18岁中学生VO2max各等级人数分布表（n=752）

3 讨论

3.1 800/1000米跑评价中学生心肺耐力的有效性

本研究800/1000米跑的测试结果显示，不同性别学生的心肺耐力指标间存在差异，表现为男生高于女生，说明该方法可以有效区分不同性别学生的心肺耐力。究其原因，一方面可能与身体成分有关，男生肌肉量、心肌收缩力较高，而女生瘦体重较低，脂肪量比男生高，因此女生心肺耐力表现相对较差；另一方面，可能与平时男生比女生的身体活动强度大有关，有研究表明青少年中等到大强度身体活动时间在青春期降幅最大，且女生下降幅度明显大于男生，而在低强度身体活动时间上差异较小[20，21]。

本研究中800/1000米跑与GXT的VO2max/kg相关系数分别为0.644、0.505（P<0.05），呈中等程度相关。而叶心明[17]在对初中生进行800/1000米跑和GXT的研究中发现，其相关系数分别为0.288和0.301（P>0.05），低于本研究结果。出现差异的原因可能与受试者年龄、努力程度、样本量有关。有研究从能量供应角度分析，在竞技领域800/1000米跑项目属于短时间大强度运动，其供能方式50%~60%[22]为无氧供能。但是也有研究[23]显示，中长跑项目中的有氧供能比例被低估了，有氧供能占50%的一点出现在运动开始后1~2 min之间，大约在75 s。所以对于未受过专业训练的青少年学生来说，800/1000米跑能够在一定程度上反映心肺耐力。

此外，目前对800/1000米跑直接测试摄氧量的研究较少，多数研究仅分析成绩与VO2max/kg的关系，故研究结果有很大差异。兰震[24]在研究中发现，中学生800/1000米跑成绩与VO2max/kg的相关系数分别为0.697、0.731（P<0.05）；而周志雄[25]的研究显示，800/1000米跑成绩与VO2max/kg无显著性相关关系（女生r=0.082，男生r=0.244）。考虑到800/1000米跑受到跑步技术、体力分配、身体情绪状态的影响较大，应该综合各影响因素来探索成绩与VO2max/kg的关系。

本研究以GXT所测得的VO2max/kg为效标，采用ROC曲线计算出800/1000米跑测试VO2max/kg的敏感度和特异度及曲线下面积（AUC）的大小，结果显示AUC为0.89（95%CI：0.823~0.972，P<0.05），说明800/1000米跑对心肺耐力具有较高的诊断价值，且能分辨97.2%（灵敏度）心肺耐力优秀的学生，以及70.6%（特异度）心肺耐力中等的学生。这说明本研究中800/1000米跑可以有效反映16~18岁中学生的心肺耐力。

3.2 800/1000米跑推测VO2max回归模型的应用前景

800/1000米跑推测VO2max的公式在国内的研究相对比较匮乏，但不少学者[26，27]针对其他场地测试方法建立了推测公式，如国外常用的20米折返跑、6分钟走跑试验、12分钟跑、1英里跑/走等，因其信效度检验和重复性较高，故常被国内选择应用。需要强调的是，800/1000米跑测试自1985年开始就被纳入历次全国学生体质健康调研和《国家学生体质健康标准（2014年修订）》指标体系中。因此，构建采用800/1000米跑成绩来预测我国青少年心肺耐力的方法具有重要的现实意义。

国外同类研究中，Barnett[28]利用20米折返跑测试建立了12~17岁人群的推测VO2max回归模型，即（1）VO2max=25.8－6.6×性别－0.2×体重+3.2×最大速度；（2）VO2max=24.2－5.0×性别－0.8×年龄+3.4×最大速度。Kim[29]利用12分钟跑测试建立了推测VO2max的回归模型，即VO2max=（0.051×5分钟距离）－（0.623×体重）+23.603。Cureton[30]建立了1英里跑/走推测VO2max的回归模型，即VO2peak=－8.41×时间+0.34×（时间2）+0.21（年龄×性别）－0.84×BMI+108.94。借鉴国外建立推测青少年VO2max回归模型的思路，结合我国800/1000米跑测试方法的特点，尤其是该方法应用的广泛性，本研究选择了容易获取的性别、年龄、身高、体重、BMI、时间、性别×时间作为自变量，通过多元逐步回归分析最终建立了性别×时间、体重与VO2max的回归模型。通过对模型的拟合优度检验、方差分析、残差分析，以及对自变量的偏回归系数等检验，选择模型2作为最优回归模型。回代检验结果显示，VO2max的推测值与实测值呈现高度相关性，且具有统计学意义，进一步证实了本研究最优回归模型能有效推测中学生的VO2max。需要说明的是，本研究尝试分性别建立回归模型，结果显示男生组仅保留了体重，且判定系数R 2为0.380；女生组未能建立最优回归模型，所以最终选择以总体样本数据建立的回归模型（R 2=0.703）。分析出现上述现象的原因可能是女生样本量较少，也可能与女生在完成测试时的努力程度不够导致数据有效性降低有关。

3.3 VO2max评价等级建立的意义

长期以来，800/1000米跑作为评价我国青少年耐力素质的常用指标，其测试成绩仅仅反映了青少年身体素质的现实状况，不能有效为青少年体育锻炼等提供较为精准的指导。本研究在建立了依托800/1000米跑成绩推测VO2max最优回归模型后，尝试建立VO2max的评价等级，有利于为体育教师指导学生科学锻炼提供较好的参考。

本研究采用的离差法是体质健康研究领域中的常用方法，常在大规模人群测试时选用，受试者可以清楚地判断自己在各测试项目中所处的水平，从而为改善体质健康水平指明方向。李岩松[31]利用离差法建立了60~69岁老年女性功能性体适能的评价等级，验证后发现离差法制定的标准客观、准确。邱丹[32]利用离差法建立了青少年椎旁肌耐力及左、右侧对称性的评价标准，也证明了离差法制定的标准能有效评估疾病风险，具有重要的临床价值。本研究中3008名16~18岁中学生的VO2max推测值符合正态分布，满足选择离差法制定评价标准的前提条件。通过对本研究建立的VO2max评价标准进行验证，结果显示VO2max为中等的学生所占比例最大，且人数分布呈现以中等为中心向两侧递减的趋势。因此，本研究建立的参考标准可以较为有效地评价北京市16~18岁中学生的心肺耐力水平，同时可以为中学生进行科学锻炼，提升心肺耐力水平提供指导。