Ramp與GXT兩種遞增負荷模式在VO2max直接測試中的比較研究

胡國鵬　王振　劉無逸　馮魏　孟妍

摘要：比較連續斜坡式遞增負荷模式（Ramp）和連續分級遞增負荷模式（graded exercise text，GXT）在最大攝氧量直接測試中的生理變量變化特征。方法：對20名體力活動良好的男性受試者分別進行3次不同負荷模式的極量力竭測試，3種負荷模式分別為GXT、Ramp和105%最大負荷持續運動（constant exercise test，105%CT）。結果：Ramp與GXT測試結果相比，兩測試中最大攝氧量（O2max、O2max/kg）高度相關（r=0.726～0.882，P<0.01）且無顯著性差異（P<0.01）；而最高功率（Wmax）、血乳酸（La）均表現為Ramp測試值低于GXT測試值；兩測試時長（T）高度相關且Ramp測試值較短；Ramp測試中O2max、O2max/kg、最高心率（HRmax）、呼吸商（RER）和105%CT測試中值無顯著性差別。GXT、Ramp兩測試中，根據平臺定義不同所達到平臺的百分比不同。結論：在同樣的平均遞增負荷幅度下，兩負荷方案對不同峰值參數存在不同影響；Ramp可作為直接測試最大攝氧量替代方案，并且所達到的峰值功率及時間較低、較短；依照最大攝氧量不同平臺判定標準，平臺出現概率受測試方案及判定標準影響較大，ACSM推薦的平臺標準不適用于Ramp測試。

關鍵詞： 最大攝氧量；攝氧量平臺；GXT； Ramp

中圖分類號： G 804文章編號：1009783X（2016）02015605文獻標志碼： A

Abstract：the physiological characters were compared in the two incremental exercise test models of Ramp and GXT；Method：20 activity male subject were Recruited and done three exhausted exercise text including GXT ，Ramp and 105%CT。Result：There is high correction（r=0.726～0.882，P<0.01） between the GXT and Ramp in O2max 、O2max/kg and no significantly difference between them（P<0.01）.But the values of the Wmax and La were lower in the Ramp than in the GXT.The period time was high correctional between the tests and the period was longer than in the GXT.There was no significant difference in O2max、HRmax、VEmax between the GXT and 105%CT. Different percentages of O2 plateau was existed basing on different criteria in GXT and Ramp.Conclusion：There was the same step stressing effect in the Ramp and GXT and no significant difference of maximal oxygen uptake .There were different percentages based on different criteria about O2 plateau.O2max plateau was affected by the criteria and the exercise model.

Keywords：maximal oxygen uptake；oxygen uptake plateau；GXT；Ramp

自1923年Hill提出最大攝氧量（maximal oxygen uptake，O2max）概念以來，該領域研究不斷被完善，并始終是運動生理學研究和應用中的重要內容，O2max的測試也被廣泛應用在心肺機能評估與診斷中。通過不同負荷方式刺激機體生理機能并誘導機體力竭是直接測試最大攝氧量的基本理論要求。在不同的負荷模式中，分級遞增負荷方法（graded incremental exercise test，GXT）是最為傳統與經典的負荷方式，例如Astrand 、Bruce方案等，其特點是每一級別負荷持續2～3 min，負荷隨級別增加而不斷增加；而斜坡式遞增負荷測試（ramp incremental exercise test，Ramp）是以功率1～5 s內連續小幅度增加為特征的負荷方案，該方案提供了連續的、多頻率的負荷遞增模式，使整個攝氧量隨功率的增加呈線性關系。該負荷方式早在20世紀70年代起主要應用于運動中耗氧動力學（oxygen uptake kinetics）研究[12]。雖然在20世紀80年代也被應用到最大攝氧量的測試研究中[3]，但因傳統的GXT評測方法日漸成熟，該方法并未引起足夠重視。而在近年，隨著科學技術的不斷發展，最大攝氧量的測試方法、呼吸氣體采集分析手段等也發生了重大的改變，對最初的最大攝氧量相關理論如攝氧量平臺問題（O2 Plateau）等提出眾多質疑[45]，而Ramp方案在直接測試最大攝氧量的方法學研究中逐漸被重視。在對最大攝氧量測評的眾多質疑中，測試負荷模式是引起爭議的重要因素之一。

很早就有研究認識到，不同負荷功率儀如功率車和跑臺測試中達到的最大攝氧量不同，同一受試者在其他相同條件下跑臺測試要比功率車上的高。而就同一功率儀而言，不同負荷模式達到峰值生理參數的比較研究并不多。Bentley等研究中通過在功率車上不同負荷臺階（60 s與180 s）遞增模式來分析對峰值參數的影響，發現不同時間長度的臺階負荷對峰值攝氧量無顯著影響；但是對峰值功率及通氣無氧閾存在影響，并認為對于優秀運動員來講，3 min負荷時間獲得峰值功率對成績具有好的預測性[6]。Zuniga等[7]、MIOSZ[8]等通過分析GXT與ramp測試中的峰值參數也認為，負荷模式的不同可導致峰值參數的差異，但上述研究的負荷模式、受試對象的不同還不足以分析模式不同的具體原因。而就達到的攝氧量平臺來講，有研究認為在平臺隨著平均時間間隔增加而出現頻率減少，但達到的平臺攝氧量也隨之減少[9]。研究證明，斜坡負荷在測試心肺耐力方面有著較為廣泛的適應性，尤其是患有心腦血管疾病的病人，同時，斜坡負荷運動在測試中所反映的攝氧量應答參數對于機體生理機能的評估中有著重要的參考意義[10]，如氧耗效能坡度（oxygen uptake efficiency slope） [11]等。Ramp測試方案中因連續小幅度遞增負荷的特征，在多數研究中并未出現傳統意義上的平臺現象。而最近，Rossiter等[12]創造性地提出105%～110%最大負荷重復測試的方式來確認平臺現象，為Ramp直接測試最大攝氧量提供了新的思路；因此，基于上述已有發現，本研究通過比較GXT和Ramp中2種負荷方法在直接測試最大攝氧量各生理指標變化特征的基礎上，探討Ramp負荷模式在測試最大攝氧量中的特點，為心肺機能的評測提供參考。

1研究對象和研究方法

1.1研究對象

篩選出符合研究要求的無心腦血管疾病史及癥狀、體力活動良好的20名男性受試者，在受試者了解測試內容并明確其中風險與義務的情況下簽訂知情同意書。受試者基本資料見表1。

1.2實驗方法及流程

20名受試者共進行3次不同負荷方式的力竭測試（其中第3次力竭方案屬于方案2的測試內容之一），每次測試之間間隔48 h以上[78，13]，恢復期采取推拿按摩、熱水浴等積極的恢復方式。力竭測試負荷方案如下。

負荷方案1：連續分級遞增負荷方案（GXT）。功率自行車初始功率設定為100 W，100 W蹬車2 min后，每2 min增加40 W直至受試者力竭[14]。

負荷方案2：連續斜坡遞增負荷方案（Ramp）。功率自行車初始功率為40 W，2 min后功率每3 s增加1 W（20 W/min），方案1和方案2中平均每分鐘增加功率相同，即20 W/min 。

負荷方案2完成后，積極恢復48 h后進行1次105%Wmax持續負荷力竭測試（105%Wmax constant test，105%CT）；該測試為判斷負荷方案2中最大攝氧量的補充測試[12，15]。測試中功率車功率30 s內增加到個人105%Wmax，運動至力竭。105%Wmax負荷由第2次Ramp負荷方案中攝氧量和功率的線性關系，推測105%O2max時的功率，記做105%Wmax。

每次力竭測試之間禁止大強度運動，測試前1 d禁止飲酒及熬夜。正式測試前1周，20名受試者分別在不連續的3 d到實驗室體驗2種測試方案并確定功率自行車的高度等參數。測試中，受試者始終在同一臺功率車上并保持功率車高度等參數始終相同，功率自行車踏頻維持在60 r/min。正式測試前，受試者進行5 min常規準備活動和拉伸。測試中用心肺測試系統（Cosmed K4B2）收集呼吸代謝氣體進行分析。每次測試前1 h，測試系統按照儀器使用說明進行預熱及室內氣體、標準氣體、呼吸延遲時間、標準氣體容量等調試。Monark 894E功率自行車提前設定好每位受試者測試方案并保存。正式測試開始后，受試者佩戴好Cosmed K4B2系統上功率自行車進行正式測試，測試過程中，監測O2、RER、HR等信息，若發現HR及受試者表現異常時立即終止測試。測試中給受試者提供RPE量表記錄測試者各個時間段的RPE值（7～20）作為判斷是否達到最大攝氧量的一個參考值。受試者運動到力竭并并經鼓勵不能繼續運動時及時停止功率自行車、K4B2主機及PC端，在運動完1 min內用H/p/cosmos血乳酸測試儀進行血乳酸測試，測試時用干凈棉簽拭去第1滴血后再次采樣測定。血乳酸試劑條按照要求溫度保存，使用前30 min將其取出置于常溫環境中，測試前對H/p/cosmos血乳酸測試儀試劑條進行標樣測試。

力竭判斷標準：經鼓勵無法繼續運動，踏頻連續30 s內達不到50 r/min；同時3個評定員根據受試者出汗量、呼吸頻率、呼吸商、自我疲勞指數等進行互盲評定，3個測評員同時判定受試者力竭視為完成測試，否則判定測試失敗。

最大攝氧量判定標準如下。

第1類標準：受試者力竭并經鼓勵無法繼續運動，呼吸頻率及節奏發生明顯變化，且3位評定員互盲評定均為力竭。

第2類標準：Ⅰ.HR超過180次，不隨強度的增加而增加；Ⅱ.RER大于1.1；Ⅲ.血乳酸大于8 mmmol/L；Ⅳ.RPE大于17。

在滿足第1類條件的基礎上，同時滿足第2類標準中的3條者，取其最后3 min呼吸氣體代謝數據進行10 s間隔平均，其最大值表示為O2max、VEmax、RPEmax、HRmax等。

1.3主要實驗器材

呼吸氣體代謝分析系統（Cosmed K4B2，意大利），身體成分測試分析系統（SlimmanagerN40，韓國），功率自行車（Monark 894，瑞典），運動跑臺（H/p/cosmos，德國），血乳酸測試儀（H/p/cosmos，德國），Polar心率表等。

1.4主要測試及觀察指標

攝氧量（O2）、二氧化碳排出量（CO2）、通氣量（V）、每分通氣量（VE）、呼吸頻率（Rf）、呼吸商（RER）、 耗氧效率（VE/O2）、心率（HR）、血乳酸（LA）、最高功率（Wmax）、運動時長（T）、Borg疲勞指數（RPE）等。

1.5數理統計法

根據研究需要及實驗設計，對測試中收集的數據應用SPSS 20.0統計軟件對實驗數據進行配對t檢驗及相關分析，數據表達為平均值±標準差，數據小數點后保留0～3位。

2結果

2.1GXT和Ramp兩遞增負荷測試實驗結果分析

2次遞增負荷測試，最大攝氧量相對值和絕對值中、高度相關（r=0.726～0.882，P<0.01）且無顯著性差異（P>0.05）；而最高功率、運動時長呈中高度相關（r=0.777～0.792），但均表現為Ramp均值較低，且差異十分顯著（P<0.01）；與GXT測試相比，LA水平在Ramp測試中水平偏低而RER水平偏高，顯著差異（P<0.05），見表2。

2.2Ramp測試和105%CT測試結果分析

在以105%Ramp最大功率持續負荷的力竭測試中，僅有12位受試者達到實驗要求（多數受試者因大腿局部疲勞未能完成測試），其中：同時完成Ramp測試和105%CT測試的受試者為11人。從統計結果來看，O2max、 HRmax均無顯著差異，105%CT測試中，La略高，差異顯著（P<0.05），見表3。

2.33次測試攝氧量平臺出現概率分析

按照不同的攝氧量平臺定義，3個測試中，僅有GXT測試模式滿足ASCM判定平臺要求，即分級遞增負荷，每個負荷級別持續2～3 min，而在此條件下，平臺出現概率為75%（占完成實驗要求人數），而Ramp測試中，平臺按照3個連續10 s時間間隔O2<150 mL來判定，出現概率為47.1%，按照Rossiter[12]斜坡測試中定義平臺的方法，所有同時完成Ramp及105%CT測試者均達到平臺（100%），見表4。因105%CT測試不滿足當前平臺出現的試驗要求，在此未進行統計。

3分析與討論

3.1Ramp與GXT對峰值攝氧量等相關參數的影響比較

當前最大攝氧量測試方法，按照原始數據的獲取方式分為直接測試和間接測試推算法，按照測試過程中負荷的特點分為傳統的持續分級遞增運動負荷法（GXT）和斜坡式遞增負荷法（RXT），按照負荷時的測試工具，一般分為跑臺測試、功率車測試、場地測試、臺階測試等[16]。而在直接測試中，根據其呼吸代謝氣體采集方式又可分為杜哥拉斯袋法（dugeLas bags）、混合氣室法（mixing chamber）及每口呼吸式（breath by breath）等，在上述測試方法中，每口氣法又是目前最為廣泛的氣體采樣模式。正因為上述種種測試方法學上的多樣性，造成最大攝氧量測試中結果的差異及分析對比的困難。鑒于當前對最大攝氧量判斷標準的質疑，本研究在結合ACSM[17]提出的最大攝氧量測試判定標準的基礎上，把受試者運動到力竭作為首要判定標準，除了滿足力竭的客觀標準外，在研究過程中，對3名實驗人員進行培訓，并采用互盲評定來判定受試者是否力竭。為保證其準確度，3個評定員有1位出現異議，即判定該受試者未完成實驗要求，舍棄其實驗數據，這種判斷方式保證滿足最大攝氧量測試中最重要的力竭要求。

從2種遞增負荷模式所誘導的生理極值來看，兩測試結果O2max、O2max/kg呈中高度相關（r=0.777～0.932，P<0.01），兩測試最大攝氧量絕對值及相對值無顯著差異，這和Bentley[18]、Zuniga[7]等的研究結論相同。Zuniga的研究中比較了不同亞極量功率下受試者的O2、HR及RPE，發現除了RPE外兩者均未見顯著差異，這表明2種負荷模式對機體的生理刺激具有同步效應。從理論上講，同一負荷測功儀下如功率車或者跑臺，只要受試者能夠達到同一極限力竭水平，其生理峰值不會因負荷模式的改變而改變。而從另外一個角度講，測試模式的效率取決于達到生理極值的時間、機體疲勞感（RPE）、最大物理負荷等參數，但這些參數在不同的研究中存在較大爭議。Milosz等研究發現最大攝氧量、最大通氣量、最大呼吸商、最大心率及最高負荷，Ramp測試值均高于分級遞增負荷運動模式[8]。即使在Zuniga等的研究中，雖然最大攝氧量無顯著差異，但最大功率值Ramp測試要大于GXT測試。而在本研究中，從GXT與Ramp兩測試實驗數據分析情況來看，兩者Wmax、運動時間（T）呈中、高度相關（r=0.777～0.932，P<0.01），但Ramp測試值低于GXT測試值，分析不同研究中截然不同的結論，可能存在2種原因：遞增斜坡方案不同，本研究中Ramp方案平均每分鐘累計遞增值和Miosz的研究并不相同（20 W/min與30 W/min）；另外，Miosz等的研究中2方案平均每分鐘遞增功率不等值（Ramp：30 W/min；GXT：40 W/3 min），而本研究及具有相似結論的Zuniga研究中，各自研究中的2方案平均每分遞增幅度也不相同（20 W/min與15 W/min），我們推測這可能是引起不同結論的重要原因所在。這也提示，2種測試方案中功率遞增幅度影響最大功率參數及力竭時間。在同樣的平均遞增幅度下，斜坡方案測試中最大功率及測試時間要低，但所引起的機體疲勞深度要高，這也可能是Ramp測試模式的優勢所在。而在Zuniga的另外一項研究報告中也指出，2種負荷模型的骨骼肌電生理模式也有所不同，通常情況下，Ramp的骨骼肌電生理信號EMG振幅、O2及HR值均較低[19]。

就峰值功率來講，也有研究表明，功率車的選擇也可能影響測試結果，例如電動阻力功率車輸出功率不受踏頻影響，而這和機械阻力功率車并不相同[20]。Morton[21]通過數學模型推導認為，斜坡測試的最高功率受遞增坡度影響，遞增坡度越大或陡峭（steeper ramp exercises），其最終的峰值功率可能越大，并且影響耗氧動力學，而且這一結論也得到Alessandra[22]的研究證實。從耗氧動力學來講，初始功率、遞增坡度是影響其相關參數的重要原因[2，10]，因此，對于同一測功儀上的2種負荷模式，只要誘導機體力竭，所達到的最大攝氧量并無顯著差異；但是，達到該應激的物理過程并不相同，也因此，對于力竭的判斷顯得尤為重要，Ramp測試方案的相對標準化是未來重要的研究方向。

3.22種負荷模式中攝氧量平臺的影響因素

最大攝氧量測試中的攝氧量平臺現象是一個爭執很久的問題，Hill最早把觀察到的這種現象描述為“Apparent steady state （i.e.a plateau）”，Hill、Astrand、Taylor及Wyndham等在該領域做了大量的工作，并不斷推動最大攝氧量測試中的判定標準的標準化；但是從目前的研究報告來看，攝氧量平臺出現的概率在33～94%，且受平臺的判定標準、測試方案及受試者影響[23-24]。鑒于上述情況，本研究中，我們按照Hill最初的實驗要求，把受試者運動到力竭作為達到最大心肺潛能的首要標準。在滿足上述要求基礎上，參照ACSM推薦的平臺標準及其他平臺標準設定，發現按照ACSM標準，GXT測試中有75%的受試者達到平臺要求，而對于Ramp測試，因負荷連續變化，假定機體在極限負荷下運動的時間不超過30 s，結合ACSM推薦標準，把平臺定義為連續3個step（10 s）內不超過150 mL/min，發現有47.1%的受試者達到平臺要求；如果結合Rossiter[12]等研究斜坡方案平臺判定方法，本研究發現所有受試者都達到了該平臺定義要求。由此可見，最大攝氧量平臺的出現是依據平臺的判定標準而出現不同的概率。David[25]的研究就發現，把攝氧量平臺或者其他RER、LR、HR兩者其一作為判定最大攝氧量的標準，把已達到或未達到的納入到標準中去都可能造成評估失誤；因此，正如Tudor Hele所言，“把個體間差異考慮進去，滿足所有判定攝氧量標準的單一測試方案幾乎是不存在的……”。彭莉等[4]也認為，在判定O2max出現的指標比較一致包括攝氧量平臺、RER、HRmax、LA閾值及主觀感覺力竭，但各指標的確定標準尚不統一，各研究采用的判定指標數量不一，在實際測試中都存在標準達不到的現象，這直接影響了O2max測試結果的準確性與可信度。因此，有必要加強對O2max判定標準的研究，包括：制定判定O2max的統一標準或者統一不同測定模式下、針對不同人群的不同標準；從測試方法與指標取值方法方面加以改進，尋找能增加攝氧量平臺出現和達到其余指標標準的方法手段；在標準未統一前，研究者應詳細、準確報告實驗中所使用的負荷模式、觀察指標、指標選擇的依據及判定方法，而這也是當前眾多涉及該指標測試的研究中所忽視的。

4結論

1）在同樣的平均遞增負荷幅度下，兩負荷方案對不同峰值參數存在不同影響；Ramp可作為直接測試最大攝氧量替代方案，并且所達到的峰值功率及時間較低、較短。

2）依照最大攝氧量不同平臺判定標準，平臺出現概率受測試方案及判定標準影響較大，ACSM推薦的平臺標準不適用于Ramp測試。

參考文獻：

[1]HUGHSON R L，INMAN M D.Oxygen uptake kinetics from ramp work tests：variability of single test values[J].J Appl Physiol，1986，61（1）：373.

[2]YANO T，YUNOKI T，HORIUCHI M.Kinetics of oxygen uptake during decremental ramp exercise[J].J Sports Med Phys Fitness，2000，40（1）：11.

[3]DAVIS J A，WHIPP B J，LAMARRA N，et al.Effect of ramp slope on determination of aerobic parameters from the ramp exercise test[J].Med Sci Sports Exerc，1982，14（5）：339.

[4]彭莉.置疑最大攝氧量：測試方法與判定標準[J].體育科學，2011（7）：85.

[5]MIDGLEY A W，MCNAUGHTON L R，POLMAN R，et al.Criteria for determination of maximal oxygen uptake：a brief critique and recommendations for future research[J].Sports Med，2007，37（12）：1019.

[6]BENTLEY D J，MCNAUGHTON L R.Comparison of Wpeak，O2peak and the ventilation threshold from two different incremental exercise tests[J].Journal of Science & Medicine in Sport，2004，6（4）：425.

[7]ZUNIGA J M，HOUSH T J，CAMIC C L，et al.Metabolic parameters for ramp versus step incremental cycle ergometer tests[J].Appl Physiol Nutr Metab，2012，37（6）：1110.

[8]MIOSZ CZUBA A Z J C.Difference in Maximal Oxygen Uptake Determined by Incremental and RAMP Tests[J].Studies in Physical Culture and Tourism，2010，17（2）：123.

[9]ASTORINO T A.Alterations in O2max and the O2 plateau with manipulation of sampling interval[J].Clinical Physiology and Functional Imaging，2009，29（1）：60.

[10]BOONE J，BOURGOIS J.The oxygen uptake response to incremental ramp exercise：methodogical and physiological issues[J].Sports Med，2012，42（6）：511.

[11]HOLLENBERG M，TAGER I B.Oxygen uptake efficiency slope：an index of exercise performance and cardiopulmonary reserve requiring only submaximal exercise[J].J Am Coll Cardiol，2000，36（1）：194.

[12]ROSSITER H B，KOWALCHUK J M，WHIPP B J.A test to establish maximum O2 uptake despite no plateau in the O2 uptake response to ramp incremental exercise[J].J Appl Physiol，2006，100（3）：764.

[13]胡國鵬，王人衛，劉無逸.O2max、O2maxPD等指標在有氧耐力評定中的比較研究[J].北京體育大學學報，2010（3）：50.

[14]胡國鵬，王人衛.槲皮素干預對自行車運動員運動能力與抗氧化能力影響及其關系研究[J].西安體育學院學報，2013（2）：204.

[15]BISI M C，STAGNI R，GNUDI G.Automatic detection of maximal oxygen uptake and ventilatory threshold[J].Comput Biol Med，2011，41（1）：18.

[16]H H V.Advanced Fitness Assessment and Exercise Prescription[M].Urbana：Human Kinetics，2014：55.

[17]MEDICINE A C O S.ACSMS Guidelines for Exercise Texting and Prescription[M].9 th ed ed.Philadelphia：Lippincott Williams&Wilkins;，2014：150.

[18]BENTLEY D J，MCNAUGHTON L R.Comparison of Wpeak，O2peak and the ventilation threshold from two different incremental exercise tests：Relationship to endurance performance[J].Journal of Science and Medicine in Sport，2003，6（4）：422.

[19]ZUNIGA J M.Patterns of responses for neuromuscular and metabolic parameters for ramp versus step incremental cycle ergometer tests[J].Applied Physiology Nutrition & Metabolism，2012，37（6）：1110.

[20]MIDGLEY A W，BENTLEY D J，LUTTIKHOLT H，et al.Challenging a dogma of exercise physiology：does an incremental exercise test for valid O2 max determination really need to last between 8 and 12 minutes？[J].Sports Med，2008，38（6）：441.

[21]MORTON R H.Why peak power is higher at the end of steeper ramps：an explanation based on the "critical power" concept[J].J Sports Sci，2011，29（3）：307.

[22]ADAMI A，SIVIERI A，MOIA C，et al.Effects of step duration in incremental ramp protocols on peak power and maximal oxygen consumption[J].Eur J Appl Physiol，2013，113（10）：2647.

[23]DUNCAN G E，HOWLEY E T，JOHNSON B N.Applicability of O2max criteria：discontinuous versus continuous protocols[J].Med Sci Sports Exerc，1997，29（2）：273.

[24]YOON B K，KRAVITZ L，ROBERGS R.O2max，protocol duration，and the O2 plateau[J].Med Sci Sports Exerc，2007，39（7）：1186.

[25]POOLE D C，WILKERSON D P，JONES A M.Validity of criteria for establishing maximal O2 uptake during ramp exercise tests[J].Eur J Appl Physiol，2008，102（4）：403.