運動改善心肺機能有氧鍛煉強度控制方法研究
——走跑速度推算攝氧量回歸方程的建立

譚思潔，俞中濤，賈曉凱

在之前研究中，精準的進行走跑運動已經比較廣泛的應用在運動減脂中[12]，在大量的最大脂肪代謝率強度的研究中證實有氧供能下運動強度有更廣闊的范圍空間[13-14]，它在人體運動時對糖脂代謝動員能力及心肺機能水平改善的效果可以應用于更多的運動健身實踐中[15]。理論上，在亞極量運動強度下攝氧量與走、跑速度可以呈現清晰地直線回歸[16-17]，根據這一原理建立的回歸方程可應用于不同健身目標方案的強度選擇和控制。同時還可以根據攝氧量和人體產生熱量二者的恒定關系，簡便的獲取不同速度的走、跑運動消耗的能量。這對于更精準的制定運動健身方案有重要的應用意義。本研究將通過試驗室遞增負荷運動研究走跑速度與攝氧量相關關系，建立“走跑速度—攝氧量回歸方程”，為心肺機能鍛煉中走、跑運動強度的選擇及運動能耗的獲取提供依據，以期提高運動健身改善心肺機能的獲益率，也可為建立有針對性的有氧鍛煉方案，縮短新冠肺炎（Corona Virus Disease 2019，COVID-19）病人的愈后康復期做出貢獻。

1 材料與方法

1.1 受試者篩選

受試者201 名（男102 人，女99 人），年齡19～22 歲，身體質量指數（BMI）在18～24.9正常范圍之間[18]，身體健康確認無心血管疾病、呼吸系統及骨骼異常等影響運動能力的疾病，無系統訓練史，試驗前均被告知試驗目的、測試過程可能產生的風險，受試者自愿簽署知情同意書。本試驗通過天津體育學院倫理委員會批準。

1.2 試驗方法

受試者佩戴呼吸面罩在德國Jaeger-Laufergotest 運動跑臺及氣體代謝裝置上進行遞增負荷試驗。受試者先在運動跑臺上進行適當速度的3 min熱身跑[19]；而后男性采用起始速度為8 km/h的速度、女性采用起始速度為7 km/h的速度；坡度設定1%（模仿空氣阻力）進入正式測試流程，每過2 min增加0.8 km/h的速度，直至達到最大攝氧量（呼吸商≥1.15）[20]。測試過程中用12導聯遙測心電儀和動態血壓計進行全程監測；同時每15 s記錄呼吸交換率、心率、攝氧量等指標；每60 s 記錄主觀運動感覺（RPE）。

試驗終止標準[2]：當受試者出現運動不適如心絞痛及其相似癥狀，呼吸困難、惡心等低灌注體征；隨運動負荷的增加收縮壓下降≥10 mm Hg（1 mm Hg=0.133 kPa；血壓過度升高（收縮壓＞250 mm Hg或者舒張壓＞115 mm Hg）；無法維持相應試驗跑步速度；受試者口頭或者身體表現出極度疲勞，不能很好的實施運動方案提出終止試驗。

方程建立后選取男、女各25名符合試驗入選標準的受試者（方程建立試驗總人數的20%以上），采用樣本外回代檢驗對最終建立的回歸方程進行速度-攝氧量方程效度檢驗。

1.3 試驗控制

所有受試者都在相對統一的試驗室環境下完成全部試驗測試。試驗正式開始前，每名受試者在運動跑臺上做充分的熱身準備活動，同時充分適應運動跑臺遞增負荷試驗中需要佩戴的呼吸面罩。受試者確認沒有服用過任何已知可以影響或改變攝氧量水平的藥物和食品。試驗開始前2 h 不進食，不可攝入任何含咖啡因的飲品。

1.4 統計學處理

所有數據經SPSS 21.0 統計軟件處理，所有數據結果用X±S表示；差異顯著性取P＜0.05 水平；相關性檢驗采用person；并對數據進行線性回歸分析建立方程。

而自然正家獨創并研發的水溶性清潔套組實現了“專區專用”，對人體沒有“傷害”，并且還有保養抑菌、除味防霉的作用。其中，清潔廚房的強效清潔粉還達到了“食品級”。

2 研究結果

本研究招募的201 名受試者經過預試驗培訓，全部按計劃完成了試驗，受試者基本情況見表1。

表1 受試者基本情況Table1 Basic Information of Subjects

2.1 受試者基本信息及跑臺遞增負荷測試結果

表2 顯示，測得的受試者男性最大攝氧量絕對值和相對值顯著高于女性（P＜0.01），試驗中主觀疲勞感覺顯著低于女性（P＜0.05），運動的最大心率和最大呼吸商性別間無顯著差異。

表2 受試者遞增負荷試驗結果Table2 Experimental Results of Incremental Load of Subjects

2.2 遞增負荷下走跑速度和攝氧量的相關性

本研究分別將男性和女性每個測試階段的速度與攝氧量平均數做散點圖（見圖1），在遞增負荷的運動試驗中，隨運動時間增加，速度和攝氧量關系密切，有比較明顯的線性關系，因此初步判斷速度和攝氧量呈正相關線性關系。

圖1 速度--攝氧量散點圖Figure1 Velocity-oxygen Uptake Scatter Plot

表3、表4顯示，男、女性在遞增負荷下，隨走跑速度的增加攝氧量上升，呈現出高度的正相關（P=0.001（雙側））。

表3 男性受試者速度與攝氧量相關系數Table3 Correlation Coefficient of Velocity and Oxygen Uptake in Male Subjects

表4 女性受試者速度與攝氧量相關系數Table4 Correlation Coefficient of Velocity and Oxygen Uptake in Female Subjects

2.3 速度-攝氧量回歸方程的建立

從表5、表6可得出，男、女性受試者速度—攝氧量的相關回歸系數均具有顯著性（P＜0.05）。

表5 男性受試者速度—攝氧量相關回歸系數Table5 Correlation Regression Coefficients of Velocity-oxygen Uptake in Male Subjects

表6 女性受試者速度—攝氧量相關回歸系數Table6 Regression Coefficients of Velocity-oxygen Uptake in Female Subjects

通過對速度和攝氧量相關關系的分析，本研究利用SPSS統計軟件建立了青年男、女性速度—攝氧量線性回歸方程（見圖2）。

圖2 速度-攝氧量回歸方程Figure2 Velocity-oxygen Uptake Regression Equation

可以初步確定走跑速度-攝氧量回歸方程為：

注：X=走跑速度（km·h-1），Y=攝氧量（mL·kg-1·min-1）

2.4 對速度-攝氧量回歸方程的檢驗

表7、表8 顯示，男、女性速度-攝氧量線性回歸方程均具有顯著性（P=0.001＜0.05）。

表7 男性速度—攝氧量回歸方程的方差檢驗Table7 Variance Test of the Regression Equation of Velocityoxygen Uptake

表8 女性速度—攝氧量回歸方程的方差檢驗Table8 Variance Test of the Regression Equation of Velocity and Oxygen Uptake in Women

本研究進一步對回歸方程的擬合優度進行檢驗和標準化殘差分析。表9可以看出，在本模型中，男、女性速度-攝氧量的相關性分別為0.82 和0.85，進一步說明所建立的模型具有可靠性。

表9 速度—攝氧量回歸方程擬合優度檢驗Table9 Optimum-fitting Test of Velocity-oxygen Uptake Regression Equation

圖3、4 可以看出，數據所顯示出來的散點基本大致分布在殘差為0 的直線附近，說明速度和攝氧量標準化殘差總體上服從正態分布，體現所建立的速度—攝氧量回歸方程具有較好的精確性。

圖3 回歸標準化殘差的標準P-P圖（男）Figure3 Standard P-P for Regression of Standardized Residuals for Male

圖4 回歸標準化殘差的標準P-P圖（女）Figure4 Standard P-P for Regression of Standardized Residuals for Female

2.5 線性回歸方程效度檢驗

表10、表11 顯示，雖然攝氧量預測值比實測值略高，但T檢驗顯示二者無顯著性差異（P＞0.05），這表明推測值與實際測值之間基本吻合，回歸方程推測值與實測值總體高度相關（P＜0.01）。

表10 男性速度—攝氧量試驗樣本外回代檢驗Table10 Out-of-generation Tests of Male Velocity-oxygen Uptake Samples

表11 女性速度—攝氧量試驗樣本外回代檢驗Table11 Out-of-generation Tests of Female Velocity-oxygen Uptake Samples

3 分析與討論

3.1 走跑速度——攝氧量回歸方程的建立

心肺耐力（CRF）對人類健康有直接的影響[21]，它反映呼吸及循環系統相互配合將氧氣從大氣輸送到細胞內線粒體進行工作的綜合能力；顯然與許多系統的功能直接相關，因此被認為是全面體質健康狀況的反映[22]。提升心肺功能最有效的鍛煉方案是穩步增加熱能消耗的有氧運動。走、跑是最常用、最容易實施的有氧鍛煉方式，因不受環境、場地器械等方面因素的制約，相比較于游泳、自行車或者有氧健身操等運動項目，更易于開展[23]。長期以來，人們已經發現運動強度對健身效果的重要影響[24]，期望能夠選擇適宜的運動強度進行走步或跑步，以獲得身體機能最有效的“超量恢復”，同時減少運動損傷的風險[1]。為此，已經有很多關于運動強度設定方法的研究被關注，如表示運動強度的速度法、心率法、最大攝氧量百分比法和供能代謝法（METs）等[25]，都在運動生理試驗中得到比較廣泛的應用[19]。但是這些方法因受到試驗儀器不夠便捷、成本較高等多方面因素的限制，很難在普通人群運動干預處方實踐中應用。目前有使用三維加速度計采集運動中的信息計算運動能量消耗（METs）的方法[1]，也仍然存在佩戴比較麻煩，監測數據無法實時顯示上的困難；還有一些可穿戴設備是以運動心率推算氧耗，準確度不高。早在1937年就已經有國外學者嘗試將數學方程應用到攝氧量的推算中，如VANDER WALT[26]通過4 種不同速度負荷的走路、跑步運動方案，以體重和速度兩個自變量建立了走路和跑步推算攝氧量公式，但他是使用在特定速度下推算的試驗方法，推算公式在實際應用中有很多條件限制，比如不能預測到更低或者更高的走跑運動強度下的耗氧量[27]。因此很難直接應用于運動干預處方實際中。1996年MORGAN等人對長跑運動員在運動中不同階段氧耗經濟性的研究中，應用了PATE等人建立的遞增負荷測試攝氧量的試驗方法，導出了最能表達攝氧量與跑步速度之間關系的線性回歸方程，然后通過將每個受試者V02max值作為獨立變量輸入回歸方程中來獲得在數學上與V02max相關聯的跑步速度[17]，受到了一定的關注；但此方法仍需要先行測試受試者V02max而帶來應用上的不便。

走跑運動的攝氧量推算公式在國內的研究相對比較匱乏，有學者進行過攝氧量與運動心率間關系的探討并以此建立了心率-攝氧量回歸方程[28-29]，有一定的應用價值，但運動心率波動較大，在指導運動健身實際應用中對運動強度的界定容易出現偏差導致鍛煉效果不佳。那么，從運動干預效果的實際出發，每個人健身的動機和目的不同，運動強度的選擇與運動總量的設計也不同，使得運動能量消耗的定量化成為關鍵問題。隨著試驗技術的不斷發展，運動的耗氧量與能量消耗間的關系已經能夠利用間接卡路里計（indirect calorimeter）和呼吸熱量計（respiration—calorimeter）測出[30]，但這些儀器都較為龐大，操作過程復雜、不便攜帶，受試者測量過程中無法自由地活動，使其應用范圍大受限制。在運動干預方案設計中，目前常選用計算代謝當量（metabolism equivalent，MET）體現運動強度和計算運動總量。這顯然在運動強度的精準把控及能量消耗、運動總量的評估上更具備優勢和現實指導意義。

本模型樣本我們采集到202名受試者遞增強度各強度點走跑速度與攝氧量數據，在確定速度和攝氧量呈線性依存關系的基礎上，設定走跑速度為自變量，設定攝氧量為因變量，通過一元線性回歸建立走跑速度—攝氧量的回歸方程模型。而后對方程進行了方差檢驗、擬合優度檢驗，都顯示出顯著的統計學意義，說明本研究建立的走跑速度-攝氧量回歸方程信度可靠。在方程建立后我們進行了樣本外回代檢驗，選取建立模型的總樣本20%以上的受試者男、女各25 名，以低、中、高三種走跑速度對最終建立的回歸方程進行速度—攝氧量方程效度檢驗（見表10、表11），結果顯示青年男女在各級速度上的攝氧量推測值具有很高的統計學意義（P＜0.01），進一步證明研究最終制定的速度—攝氧量推算回歸方程效度優秀。此回歸模型既符合統計學的相關理論，也契合攝氧量在人體內在運動生理學方面的機制。

隨著運動處方研究的不斷深入，其核心要素已在原來基礎上增加了“運動量”和“進階”為制定要素，這就對運動手段的耗能水平與強度劃分精準把握提出更高的要求[31]。依據本模型（見表7、表8），可以直接通過走跑速度提取對應的攝氧量數值計算METs 值。對于新冠肺炎患者我們可推薦的鍛煉方案是，體能尚未恢復的患者，選擇較低強度有氧運動作為康復訓練的起點（強度約在3METS），依據走跑速度—攝氧量方程可知走跑運動速度是男4 km/h、女3.4 km/h。待心肺機能水平逐步恢復后，可適當提高運動強度。如需了解各種速度下走跑的運動絕對能耗，只需進行簡單的換算即可（kcal＝METs×3.5×體重（kg）×時間（min）/200）[32]。 區別于以往同類的其他研究，模型的走跑速度—攝氧量對應關系明確、單一變量特性更適合于推廣使用，解決了目前我國運動處方強度選擇上多采用以歐美人群基礎數據的困境。

3.2 走跑速度—攝氧量方程的應用

運動作為一個能夠預防慢性疾病和減少醫療費用開支的手段，比其他任何一類方式都具有更廣泛的適應性；其對心肺機能等體質健康的重要影響已被反復證明[33-34]。一些研究發現，不同強度的運動方案對人們體質健康指標的影響作用不同；步行時間、運動頻率、強度都與心肺健康有重要關系[35]，進而影響患病率和醫療費用[36]。目前COVID-19在全球很多地區蔓延，對人類身體健康造成重大危害。防控COVID-19 病毒繼續傳播以及對已感染者愈后體質恢復都是人們關注的重要問題。國家衛健委在新冠肺炎防控新聞發布會上明確指出，出院后的患者應該進行適度的有氧訓練，以恢復缺失的心肺機能[37]；適宜的有氧運動不僅可以有效的提高CRF，還可使免疫系統發生有益的變化[4-5]，從而有利于抵抗病毒的侵襲。走步和慢跑是人們最常用的有氧運動鍛煉方式；因其簡便和不需要復雜的場地器械更適合COVID-19 患者采用；而對于治愈出院后新冠肺炎感染者，亟待恢復的心肺功能需要更為科學、精準的設計運動強度和運動總量[38]。

研究證實，高強度間歇跑步可能對心血管機能的改善效果優于中等強度的持續跑步[9、39]，但亦有研究證實，中等強度的持續運動對VO2max的提升效果更明顯[35]，大多數研究都提示，維持中等以上或較高運動強度和適宜運動總量的身體活動，對改善人類生理機能水平，提高身體活動能力，預防慢性疾病發生有積極的作用。但不同強度下的運動方案會使機體器官系統產生不同的變化；如中低強度持續有氧運動可有效提高脂肪消耗；而高強度運動利用相對較少的運動時間消耗同等熱能，可能具有提高心臟功能更明顯的作用[20]，但會使運動風險加大，并不適合所有人群，尤其是COVID-19 治愈出院不久的患者。因此運動強度的設計在實現運動效果中起著非常重要的核心作用。本研究組在前期對運動強度的測量與控制進行了較多的研究[9、39]，在運動減重中進行了不同強度運動干預肥胖的效果觀察和機制探討；發現速度與攝氧量之間的密切關系[40]。基于人們已經越來越認可心肺功能及體能儲備是健康和抵抗疾病的重要基礎[33-34]，且有氧運動是提升心肺機能的重要手段，我們進一步探討和建立了走、跑步速度-攝氧量方程，期望為采用走步跑步進行健身者提供強度設計和運動總量控制的依據；更合理精準的建立走步、跑步運動健身方案，提高運動的健康收益。

從事某項運動時的能量消耗相對于安靜時耗氧量的倍數，可用來表示運動能耗和運動強度[8]，1-MET 為人體靜息代謝時的耗氧量（約為3.5 mL/kg/min），人們早已開始關注METs 與體質健康之間的關系，如認為心肺耐力每增加1 MET，生命質量可顯著提高10%～25%[41-42]。每日增加一定的運動可以彌補日常體力活動的不足對心肺機能產生有益的影響[1、43]，本研究建立的走跑速度-攝氧量回歸方程可為改善體質、運動減重以及心肺耐力訓練等運動處方強度選擇提供方法和依據，鍛煉者利用方程式可以簡便的設計運動方案中的走、跑速度，或在任意完成的走步、跑步后推測攝氧量，而后可以將其轉化為代謝當量，評估確定運動強度、計算走跑運動總能量消耗。此外，在長期的運動處方干預中，需要根據受試者體質改善情況進行多次運動強度的校準和調整運動負荷，該回歸方程可比較簡便的應用于不同運動處方中強度及運動量的估算。為各種強度下的走、跑運動處方的研究設計提供參考標準。

3.3 研究的局限性

本研究方程的建立僅針對正常體重的健康青年人，因而方程變量未考慮體重等因素，是否可以直接應用于肥胖或體重較強者還有待考證。

4 結 論

本研究將走跑速度設定為自變量，采用一元線性回歸分析的方法建立了走跑速度-攝氧量關系方程：男：Y=6.074X-20.921；女：Y=6.922X-19.825，其中X=走跑速度（km·h-1），Y=攝氧量（mL·kg-1·min-1）。

所建立的走跑速度-攝氧量方程具有較強的應用性，可較準確的估算走跑運動強度，并推算走跑運動消耗的熱能，為運動改善心肺機能干預方案的設計和研究提供了重要的依據。