运动改善老年人心肺功能存在剂量效应的系统综述与Meta分析

肖义然，张蓝天，邱俊强，许春艳

随着年龄的增长，人体心肺功能（cardiorespiratory fitness，CRF）或评价CRF的金标准——最大摄氧量（O2max）（Cote et al.，2007；Longstreet et al.，1995）逐 渐 下 降（Dong et al.，2012；Folsom et al.，2011）。30岁以后 ，O2max每10年下降5%～15%，在70岁时将丧失最多（达50%）（Jackson et al.，2009）。CRF的下降会伴随着与年龄相关的身体机能的下降，并与老年人常见的心肺并发症共同作用而加剧衰老（Chodzko-Zajko et al.，2009；Nelson et al.，2007）。60%的老年人每日静坐少动时间超过4 h（Harvey et al.，2013），会进一步降低老年人的CRF（林家仕 等，2019）。

拥有较高CRF的老年人患心血管疾病的风险以及全因死亡率的相对危险度显著降低（谢敏豪等，2011；Vanhees et al.，2012a；Vanhees et al.，2012b）。有氧运动是促进CRF改善的重要手段，可使老年人O2max提升15%～20%或更多（Chodzko-Zajko et al.，2009；Fleg et al.，2005）。美国运动医学会（The American College of Sports Medicine，ACSM）建议老年人每周进行150～300 min中等强度运动或75～150 min的高强度运动（王正珍，2019）。但对于改善老年人CRF运动处方的剂量或特征（即达到和优化特定健康结局指标所需的运动强度、时间、频率和周期等）尚待确定（Vanhees et al.，2012a）。例如，对于引起O2max改善的最小运动强度和为CRF带来最大提升的最佳运动强度仍然未知（William et al.，2015）。这可能与不同研究间各要素剂量设置的差异以及受试者特征异质性的限制有关（Margaret et al.，2019）。此外，有研究证明，过度的运动干预可能对心血管造成不良影响（O’Keefe et al.，2012）。因此，在改善老年人CRF的运动干预研究中，具体运动处方各要素的设置格外重要。本研究采用Meta分析的方法，综合各项改善老年人CRF的临床试验研究，探讨不同运动处方参数对老年人CRF提升的剂量效应，明确改善老年人CRF的最佳运动剂量。

1 研究对象与方法

本研究严格按照《系统综述和荟萃分析优先报告的条目：PRISMA声明》（David et al.，2009）的要求进行Meta分析，并在PROSPERO平台完成方案注册（注册号：CRD42020208175）。

1.1 文献纳入与排除标准

采用循证医学的研究对象-干预措施-对照措施-结局指标-研究类型原则（Patients-Intervention-Comparisons-Outcomes-Study，PICOS）（Liberati et al.，2009）作为文献纳入的标准。

1.1.1 研究对象

年龄≥60岁，身体健康的老年人，包括医学监控下可进行运动的高血压患者等。排除涉及非传染性疾病（如心血管疾病、Ⅱ型糖尿病、癌症等）或合并其他严重的躯体性疾病（如脑卒中、心肌梗死、恶性肿瘤等）的患者。

1.1.2 干预措施

实验组中运动干预是唯一的干预措施，运动干预形式包括有氧运动和有氧与抗阻相结合的混合运动等。对照组不进行运动干预，常规生活或接受老年人心肺功能健康教育。

1.1.3 结局指标

1.1.4 研究设计

本研究纳入以中英文公开发表的临床试验研究，包括随机对照试验研究（randomized controlled trial，RCT）与自身对照试验研究（self-controlled trial，SCT）。

1.1.5 排除标准

1）会议论文与论文摘要；2）重复、质量差的文献；3）不能获取全文的文献；4）不能提供平均值和标准差（M±SD）的文献。

1.2 文献检索策略

1.2.1 检索数据库

中文数据库包括中国知网、万方数据库；外文数据库包括PubMed、EBSCO、Web of Science。检索文献时间：1990年1月～2021年3月。

1.2.2 检索词

采用3个主题下各关键词相结合的方式作为检索词进行检索。主题词：老年人、运动干预和心肺功能。中文关键词：老年人、有氧运动、运动干预、体力活动、心肺耐力、心肺功能、最大摄氧量。英文关键词：older adult，elderly，aging，aged，exercise，training，physical activity，aerobic training，combined training，cardiovascular fitness，cardiopulmonary，O2max。同时在文献检索过程中参考检索的文献，补充同义检索词。

1.2.3 文献筛选与资料提取

由两名研究员阅读文章的题目和摘要，如初步符合纳入标准，再进一步阅读全文，根据纳入与排除标准进行筛选，对于判断结果不一致的文献，与第三名研究者共同讨论决定是否纳入。在阅读全文时进行资料提取，内容包括第一作者、发表年份、研究类型、研究对象基本信息（样本量、年龄、性别、BMI）、运动处方各要素（运动形式、强度、频率、时间、周期）及结局指标等。

1.3 文献质量评价

采用物理治疗证据数据库量表（The Physiotherapy Evidence Database，PEDro）（Mallen et al.，2006）评价研究质量，得分≥6分的研究即可认为是高质量的研究（Maher et al.，2003）。由两名研究者根据评价标准独立对纳入的文献进行评估，共进行两轮评估，第一轮进行独立评估，第二轮就第一轮评估结果出现的差异征询第三位研究者意见后重新评估。

1.4 统计学方法

采 用 Comprehensive Meta-Analysis V2（CMA2.0）与RevMan 5.3统计软件进行Meta分析。对纳入研究的运动处方各要素进行亚组分析，探讨各要素改善老年人O2max的程度与改善老年人CRF的剂量效应。

1.4.1 模型选择

本研究通过I2检验判断各研究间是否存在异质性（Higgins et al.，2011）。若P＞0.1，I2＜50%则认为同质性良好，采用固定效应模型进行分析；若P＜0.1，I2≥50%则认为存在高度异质性，选择随机效应模型。

1.4.2 效应量

效应量（effect size，ES）是衡量实验效应强度的指标（Snyder et al.，1993），不受样本容量大小的影响（或者影响很小），效应量可区分统计显著性和实际显著性（Kirk，1996）。本研究采用效应量检验运动干预效果，选取Cohen’s d作为效应量评价指标（Keith，1988），在Meta分析软件中以标准化均数差（standardize mean difference，SMD）的值表示Cohen’s d的大小。d是实验组的平均值和对照组的平均值的差与两组标准差的比率（权朝鲁，2003）。Cohen’d表示效应量时，d＜0.2（效应微小）；0.2≤d＜0.5（效应小）；0.5≤d＜0.8（效应中等）；d≥0.8（效应大）。

2 结果

2.1 纳入研究的文献特征

初步检索获得中文文献90篇、英文文献2 095篇。经Note Express软件排除重复文献后，阅读文献题目和摘要进行初步筛选获得中文文献38篇、英文文献170篇。阅读所有初筛文献全文，排除研究对象、研究设计、干预措施及结局指标不符合本研究纳入排除标准的文献，如果一篇文献里有多组运动形式，则记为多项研究。最终共纳入英文文献62篇、82项研究（图1），均进行Meta分析。

PWMs也是一个广泛应用的检测水文过程的尺度效应，尺度效应的结论比PMs更为可靠，因为 PWMs方法考虑了水文参数的异常值(即特别干旱和湿润年份)。和PMs方法相同，流域面积也是被来作为尺度因子。在单元尺度的定义下，式(7)成立。

图1 文献检索纳入过程Figure 1. Literature Selection Process

2.2 数据编码

Meta分析前本研究需要对各文献的运动强度进行编码并将强度范围换算为平均值，为避免主观因素对换算结果产生偏移，采用如下换算方式：1）运动强度为固定值的文献，保持原值；2）运动强度为某一范围（如50%～60%）时，换算为强度范围的平均值（换算后强度为55%）（黎涌明，2015；Seiler et al.，2006）；3）运动强度为渐增形式时，采用强度权重方法（Seiler，2010）。

美国心脏协会（American Heart Association，AHA）的研究显示，抗阻运动对CRF只能起到微小的改善作用（Williams et al.，2007）。Righi等（2021）对混合运动、有氧运动和抗阻运动改善CRF进行Meta分析发现，混合运动和有氧运动均能显著改善CRF，但两者的改善效果间无显著差异；鉴于本研究着眼于运动对CRF改善效果，因此混合运动的强度选取了其中的有氧运动强度（Righi et al.，2021；Williams et al.，2007）。

本研究检索文献的时间跨度范围较长，不同文献制定的运动强度形式多样（如%O2max、HRR、HRmax等）。为便于分析，将换算后的各运动强度归一化（表1），统一为HRR（Haff et al.，2015）以适用于老年人运动强度的制定（王正珍，2019）。

表1 纳入文献基本特征Table 1 Basic Characteristics of Included Literature

2.3 方法学质量评价

采用PEDro文献质量评价表进行评估，因本研究干预措施无法对研究对象实施盲法，故未纳入该项进行评分。纳入的62篇文献得分均≥6分（56篇文献得分为8分，6篇文献得分为6分）。

2.4 受试者基本特征与运动处方参数概况

根据各研究运动处方要素的情况，本研究将处方中各参数（表2）进行划分（表3），同时将该划分范围作为剂量效应研究中剂量范围的参考。

表2 受试者基本特征与运动处方参数概况Table 2 Overview of the Subjects’Basic Characteristics and Exercise Prescription Elements

2.5 Meta分析结果

2.5.1 运动处方各要素对老年人CRF改善的剂量效应

本研究将各运动处方要素的参数范围进行了划分（表3），并在此基础上进行亚组分析，探讨各要素对老年人CRF改善的剂量效应。研究表明，O2max在各要素的影响下均出现了明显的剂量效应（图2，表4）。

表4 运动参数值域与改善效应Table 4 Range of Exercise Elements and Improvement Effect

图2 运动处方各要素改善老年人O2max的剂量效应Figure 2. The Dose Effect of Each Element of Exercise Prescription to Improve O2maxin the Elderly

2.5.2 单次运动时间对老年人CRF改善的效应

表5 单次运动大效应改善的时间-强度组合Table 5 Time-Intensity Combination of the Large Effect Size of Each Exercise

图3 单次运动时间下各运动强度改善老年人O2max的效应Figure 3. Effect of Each Exercise Intensity on Improving theO2maxof the Elderly under Each Exercise Time

续表1

2.5.3 周运动时间改善老年人CRF的效应

总消耗量一致的情况下，每周150～300 min中等强度运动与每周75～150 min大强度运动对于CRF的改善的效应相似（Garber et al.，2011）。因此，本研究以150 min作为周运动时间的分界点，探讨不同强度运动与改善老年人O2max的效应关系（图4）。

图4 周运动时间下各运动强度改善老年人O2max的效应Figure 4. Effect Size of Each Exercise Intensity on Improving the O2maxof the Elderly under the Weekly Exercise Time

表6 单次运动大效应改善的时间-强度组合Table 6 Time-Intensity Combination of the Large Effect Size of Each Exercise

2.6 发表偏倚检验

对本研究进行的6项Meta分析研究进行发表偏倚检验，并制作漏斗图。在漏斗图中，样本量小的研究精度低，分散遍布在漏斗图的底部；样本量大的研究精度高，集中在漏斗图的顶部（Galbraith，1988）。各项研究均能形成倒置漏斗，且各研究散点对称集中在漏斗图的顶部（图5），因此均不存在发表偏倚。

图5 各项改善老年人CRF研究的漏斗图Figure 5. The Funnel Plot of Each Study to Improve CRF in the Elderly

3 讨论

3.1 文献质量评价

本研究共纳入62篇文献，PEDro量表评价得分均≥6分（56篇文献得分为8分，6篇文献得分为6分），所有研究的基线无显著性差异，均描述了受试者的纳入标准，对85%以上的受试者进行了结局指标的评价以及描述了干预前后结局指标的变化情况。除自身对照试验的研究无法对受试者进行随机分配外，其余研究均对受试者进行了随机分配。总体而言，纳入本研究的文献质量较高。

3.2 各运动处方要素改善老年人CRF的剂量效应

3.2.1 运动强度改善老年人CRF的剂量效应

运动强度增加至70%～79% HRR后CRF改善曲线出现平台现象，说明即使强度继续增加至80%～90% HRR，所产生的改善效应也没有进一步提高（d=1.03 vs d=1.01），反而可能会增加静坐少动人群的运动损伤风险（李文川，2014；Donath et al.，2015；Vanhees et al.，2012a，2012b）。Huang等（2016）研究显示，老年人在 70%～75% HRR强度进行运动时能够最大程度提升O2max，而强度增加至80% HRR后，获得的收益急剧下降。有研究表明，在次最大运动负荷下，老年人达到该负荷时较年轻人要付出更多的运动量，同时会增加疲劳的产生（Crane et al.，2013）。因此，本研究不推荐静坐少动的老年人以80%～90% HRR的强度进行运动。

3.2.2 运动时间改善老年人CRF的剂量效应

与强度剂量效应类似，不同运动时间也呈现出剂量效应（图2b）。25～60 min的运动时间范围内，短时间（25～35 min）的运动能使老年人的O2max得到中效应的改善（d=0.56）。较长的运动时间（60 min）似乎对老年人O2max的改善达到更大的效应（d＝0.90）。

Sattelmair等（2011）研究表明，具有运动习惯的老年人患冠心病的风险比静坐少动老年人减少14%，即使每次运动时间达不到推荐量，其带来的效益也大于静坐少动。本研究结果支持这一观点，一次25～30 min的运动能达到中等的改善效益。此外，有研究表明，运动时间过长（＞60 min）可能会使老年人的CRF受到损害，这可能与心血管的变化和反应能力随年龄的增加而降低有关（Fleg et al.，2012），并且这些不良反应会对心血管产生不利的影响（O’Keefe et al.，2012）。因此过长的运动时间并非老年人的最佳选择。

3.2.3 运动频率改善老年人CRF的剂量效应

3.2.4 运动周期改善老年人CRF的剂量效应

3.3 单次运动时间下各运动强度改善老年人CRF的剂量效应

强度和时间的交互效应能更有效反应运动对人体机能的干预效果。本研究发现，运动时间在40～45 min/次及以上，且强度在60%～69% HRR及以上时，即可对老年人CRF的改善产生大效应（d＞0.8）。这表明，即使执行小于单因素的大效应剂量的强度（70% HRR）与时间剂量（60 min）的运动，通过交互效应也能获得大效应，提示，一次40～45 min的中等强度运动可能是老年人大幅度改善CRF的最小有效剂量。Slentz等（2016）研究显示，24周的低运动量中等强度、大运动量中等强度和大运动量大强度干预的效应量分别为0.30，0.86和0.74，提示，大运动量中等强度产生的CRF改善收益最佳。但Eric等（2020）的研究与此结果并不一致，两组受试者分别进行8周的每周3次，每次30 min的80%～90% HRmax强度和每次50 min的65%～70% HRmax强度运动干预后，CRF的改善均为中等效应（d=0.57，d=0.68）。

本研究结果与Slentz等（2016）的结果相一致，老年人每次执行40～60 min中等强度的运动即可显著提高CRF（O2max）水平，且中等强度的运动对于老年人带来的益处远大于潜在的安全性风险（Simo et al.，2015）。

3.4 周运动时间下各运动强度改善老年人CRF的剂量效应

WHO建议老年人每周进行至少150～300 min的中等强度有氧运动或75～150 min的较高强度有氧运动，或者两种强度的身体活动的等效组合（Dempsey et al.，2020）。ACSM提倡老年人应逐渐超过所推荐的最小体力活动量以加强对慢性疾病和健康状态的管理（Chodzko-Zajko et al.，2009；Nelson et al.，2007）。

以每周150 min运动时间为界限，本研究发现，周运动时间短于150 min时，只有80%～90% HRR的运动强度对老年人的O2max产生大效应的改善（d=0.83）；周运动时间长于150 min时，60%～69% HRR的运动强度能对老年人O2max的改善产生大的效应（d=1.05）。冉锋（2011）对中老年受试者制定了12周，50%O2max的有氧运动，周运动时间分别为120 min、180 min和240 min。研究显示，只有每周180～240 min的运动量才能显著提高受试者的O2max。

根据WHO和ACSM的观点，结合本研究的结果，为获得大效应的CRF改善，推荐老年人群根据不同身体机能水平选择每周进行150 min以上，强度至少在60% HRR的有氧运动或150 min内，强度80% HRR及以上的有氧运动。

3.5 研究存在的不足

本研究揭示了运动干预改善老年人CRF的剂量效应，但仍不可避免的存在不足：1）研究采用权重进行强度换算，尽可能地减少人为因素的干扰，但仍会在换算过程中产生随机误差；2）研究未考虑性别因素，运动处方各要素的主效应及交互效应是否存在性别差异在本研究中未能体现；3）本研究尚未证实运动形式在运动干预与改善CRF中的作用。

4 结论

本研究对各项对照临床实验研究进行Meta分析，揭示运动处方各要素与老年人CRF的改善之间存在一定的剂量效应关系，老年人CRF最小有效改善（d＞0.5）的各处方剂量分别为35%～50% HRR、25～35 min、1次/周和运动干预8周。获得大效应CRF改善的运动强度敏感区为70%～79% HRR，运动时间、频率和周期的敏感区为60 min/次、4次/周及以上和运动干预16周。

探讨单次运动时间与周运动时间下各运动强度之间的交互效应对老年人CRF的影响时，本研究发现，每周150 min以上，每次40～45 min强度为60% HRR的运动能对老年人心肺功能产生大效应的提升。