肥胖兒童遞增負荷運動中HRVT 與AT 的一致性研究

陳 浩 ，徐 菁 ，曾錦樹 ，閆業(yè)磊 ，王乾偉 ，沈 歆 ，黃玉芬 ，徐 飛

（1.杭州師范大學 體育與健康學院，浙江 杭州 311121；2.杭州師范大學 錢江學院體育學院，浙江 杭州 311116；3.杭州師范大學健康管理學院，浙江 杭州 311121；4. 浙江大學 醫(yī)學院附屬兒童醫(yī)院，浙江 杭州 310058）

全球超重與肥胖人數逐年攀升， 肥胖已成為兒童青少年的一個重要公共健康問題。 不同形式的運動訓練對肥胖是有效的防治方法［1-3］。 高于通氣補償閾（Respiratory Compensation Threshold，RCT） 強度的運動可能會導致運動后的食欲降低［4］，而低于通氣閾（Ventilatory Threshold， VT）強度的運動并不能最大程度地氧化脂肪［5］。 因此準確評估通氣無氧閾（Ventilation Anaerobic Threshold， VAT） 強度對于制定個性化運動處方有重要意義。

通過評估心肺運動測試 （Cardiopulmonary Exercise Testing， CPET）中的氣體交換和通氣反應來確定VAT 是常用的方法，但這對儀器設備、安全支持設施和實驗人員的專業(yè)素質等多方都有較高要求［6］，上述局限性影響了無氧閾強度指標在實踐中的廣泛應用。 基于此， 探索有效、 低成本的評價無氧閾（Anoxia Threshold AT）方法具有很高的應用價值。心率變異性（Heart Rate Variability， HRV） 是評價運動期間的心臟自主神經系統（副交感和交感神經調節(jié)）的無創(chuàng)、有效測試方式，其中副交感神經活性發(fā)生后撤（withdraw）的特定標記點被定義為心率變異閾（Heart Rate Variability Threshold， HRVT）［7］。

上述研究證據提示，HRV 可能能夠便捷、 可靠地評價VAT 強度［6-8］。 最新研究也證實，超重和肥胖青少年的 HRVT與VT 強度高度相關［9］。 但早期研究發(fā)現，肥胖受試者表現為交感神經活性被過度激活［10］，而肥胖兒童可能會出現早期自主心功能障礙［11］。 這勢必會影響HRV 評價肥胖兒童AT 強度的信度與研究結果應用的外部效度。 因此，本研究旨在通過研究線性（時域、頻域）與非線性HRV 分析方法評價肥胖兒童VT 的信效度，為HRVT 評價AT 的應用實踐提供證據與參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

招募封閉式運動減肥夏令營的肥胖兒童25 名 （11 名女孩，14 名男孩）， 受試者除參加校內規(guī)定的體育課外均無常規(guī)性體育鍛煉。 年齡為 10～15 歲（12.3±1.6 歲），BMI 為 31.8±0.9 kg/m2。 肥胖判定根據為《中國兒童超重、肥胖篩查體質量指數值分類標準》。 受試者入營前均接受標準的體格檢查并詢問病史，確認無心肺系統疾病史后，正式實驗前，受試者及其監(jiān)護人均簽訂知情同意書。 最終23 名受試者（1 女、1 男退出實驗）的數據納入統計分析。

1.2 研究設計與測試指標

1.2.1 實驗設計

受試者完成形態(tài)學測量后， 在功率自行車 （Powermax-VⅡ，日本）完成逐級遞增負荷測試，佩戴Hans Rudolph 三通呼吸面罩，采用氣體代謝分析儀（Max II， AEI， 美國）測試氣體交換和通氣反應，確定VAT。 同時連續(xù)記錄HR 和RR 間（RR interval， RRi）數據（Polar V800， 芬蘭）［12］。 用 Kubios HRV Premium 3.4.0 分析數據，采用線性（時域、頻域）與非線性方法分析 HRV，采用目測法和 Dmax 法確定 HRVT［13］。 比較 VAT與HRVT 對應心率（HR）和功率（WP）指標的一致性。

遞增負荷測試： 受試者在功率自行車上佩戴相關測試儀器并采用Ramp 逐級遞增蹬車方案， 初始負荷分別為男孩15 W、女孩 10 W，踏頻 70 轉/分（r/min），每級負荷持續(xù) 2 min，直至力竭。 同期記錄HR、 運動心電圖和自感疲勞量表（Rated Perceived Exertion，RPE）。 當呼吸商（Respiratory Quotient，RQ）達到 1 時，持續(xù) 1 min 以獲得更穩(wěn)定的 RRi 數據。據 Loftin 等［14］采用的肥胖兒童心肺功能測試標準， 滿足以下任意3 個條件即判定為力竭， 即刻終止運動測試：1）HR 達≥85% HRmax（HRmax=220－年齡）；2）RQ ≥ 1.10；3） RPE ＞ 17；4）在既定負荷下不能保持坐姿蹬車姿勢或不能維持70 r/min 踏頻， 或伴有不良主訴。

1.2.2 測試指標

形態(tài)學測量：著單衣，赤足空腹測量身高和體重（BSM 370身高體重測試儀， 韓國）， 并用卷尺測量腰圍、 臀圍， 計算BMI、BMI z 評分和腰臀比（Waist Hip Ratio， WHR）。 形態(tài)學指標精確到小數點后1 位。

通氣無氧閾（VAT）測量：據 Gaskill 等［15］提出的組合方法，即通氣當量 （Ventilatory Qquivalent， VEQ）、 過量二氧化碳（Excess Carbon Dioxide，ExCO2）、V-斜率法 （Modified V-slope Method，V-slope）測定 VT 和 RCT。 用氣體代謝分析儀測定每分通氣量（VE）、攝氧量（VO2）、CO2排除量（VCO2）每 10s 一次。VT 對應于VE/VO2曲線的首次非線性增加，且VE/VCO2曲線沒有增加。 RCT 對應于VE/VCO2中的首次非線性增加，并與VE/VO2的第二次增加相吻合。 確定VT 和RCT 強度對應的心率（HR1和 HR2）和功率（WP1和 WP2）。

心率變異閾 （HRVT） 測量：Polar V800 心率腕表與 Polar H10 心率帶配對，置于受試者心尖齊平位置（雙乳下1～2 cm）。以 1 000 Hz 頻率記錄 RRi 數據［12］。 在目視檢查方法中，HRVT被認為是遞增負荷測試中RRi 數據無持續(xù)下降的穩(wěn)定點。 由2 名訓練有素的實驗員獨立評估HRV 的穩(wěn)定點，當判斷結果有分歧時，由另一位研究員參與討論決定。 線性分析方法：1）時域分析。每個階段最后60 s 的數據分析rMSSD。在連續(xù)兩個階段間rMSSD 未出現明顯下降的相對穩(wěn)定點被界定為HRVTT［13］。 2）頻域分析。 為更準確地評估高呼吸頻率下獲得的RRi 數據［8］，高頻段（HF）從 0.15 Hz 延長至 1.8 Hz。 采用三階方程（fHFm）建模，計算高頻功率（fHFm·HFp）。 后通過對數變換 Ln（fHFm·HFp） 提高對瞬時變化的敏感性。 HRVTS1對應 Ln （fHFm·HFp）達到最低穩(wěn)定點，而 HRVTS2對應 Ln（fHFm·HFp）最后一次顯著增長穩(wěn)定點［16］。 非線性分析方法：趨勢波動分析法（detrended fluctuation analysis， DFA）對每個階段最后 30s 的 RRi數據進行非線性分析。 根據RRi 點陣數據繪制龐加萊圖形（Poincaré plot）［17］。 SD1 穩(wěn)定點（HRVTSD1）對應出現時與前后時段數據相比沒有發(fā)生突增/突減變化［9］。記錄不同HRV 分析方法確定的閾值時（HRVTT、HRVTS1、HRVTS2和 HRVTSD1）對應心率 （HRT、HRS1、HRS2和 HRSD1） 與 功 率 （WPT、WPS1、WPS2和WPSD1）。

1.3 統計學分析

數據以均值±標準差（M±SD）表示，用 Stata 16 MP 分析。由K-S 檢驗正態(tài)分布。 采用Pearson 相關分析計算各指標的相關性，r 值范圍 0.31～0.50、0.51～0.70、0.71～0.90、0.91～0.99 分別對應相關性中等、高、非常高和接近完美［18-19］。 用 Bland-Altman 法進行一致性分析，計算95%一致性界限（95% Limits of agreement， LoA）和均值偏差（mean bias），95% LoA＝差值的均值±1.96 倍標準差（1.96×SD），繪制 Bland-Altman 圖。顯著性差異臨界值置為 α＝0.05（p＜0.05）。

2 結果

2.1 肥胖兒童遞增負荷運動中HRVT 與VAT 的相關性

受試者共計25 人，其中1 女、1 男中途退出，最終23 人進入結果分析。 VT 與 HRVTT、HRVTS1、HRVTSD1，RCT 與 HRVTS2強度時 HR 與 WP 指標均顯著相關（r=0.60～0.89），其中 VT 與HRVTS1，RCT 與HRVTS2強度在各指標相關系數均呈非常高的相關性（r=0.84，0.89，見表 1）。

2.2 HRVT 與VAT 強度的指標的一致性

采用Bland-Altman 法檢驗HRVT 與VAT 測試結果一致性。 其中 VT 與 HRVTS1的 HR1vs HRS1、WP1vs WPS1Bland-Altman 圖 （圖 1 B， F）的均值偏差為（1.64 和 1.12），和 RCT與 HRVTS2的 HR2vs HRS2、WP2vs WPS2（圖 1 D， H）的均值偏差（1.12 和 1.1），兩者差別接近 0。 總體而言，HRVT 與 VAT 兩種測試結果的95% LoA 置信區(qū)間較窄，均值偏差趨于零（圖1）。

圖1 閾值時心率與功率指標Bland-Altman 圖

3 討論

本研究旨在評估線性（時域、頻域）和非線性HRV 分析能否準確估計肥胖兒童的VAT，檢驗HRVT 與VAT 值的相關性和一致性， 探索HRV 法評價AT 的可行性。 本研究觀察到HRV 頻域分析確認的穩(wěn)定點HRVTS1和HRVTS2相對應運動強度與VT 和RCT 強度高度吻合。

已證實，HRV 能夠用于分析與檢測健康人群遞增負荷運動時副交感神經活性［13，20］。 Karapetian 等［13］發(fā)現，副交感神經活性降低與LT 和VT 的迅速增加相對應。 但超重和肥胖兒童的相關研究較少，迄今僅兩項有直接參考價值的研究：Shibata等［20］發(fā)現，肥胖女性 HRVT 與 VT 時的 HR 存在顯著相關（r=0.74）；Vasconcellos［6］報告 HRV 時域分析確定的青少年 HRVT與VT 間高度相關（r=0.8～0.9）。本研究觀察到時域分析確定的HRVTT和 VT 之間雖顯著相關，但相關性并不高（HR：r＝0.62；WP：r＝0.63）。 這與 Quinart 等［9］在肥胖青少年中觀察到的結果相似，筆者推測可能是肥胖因素的影響了時域分析的有效性。且HRV 非線性分析方法確定的HRVTSD1與VT 之間相關性，與時域分析相似， 而這還可能與非線性分析提供的信息僅限于龐加萊圖的寬度和長度有關［21］。 換而言之，HRV 的非線性分析結果可能因為缺乏基礎時間動態(tài)信息而降低評價VT 的準確性。 與此相反，HRV 頻域分析結果已被證實可用于評價VT 和 RCT［8，22］，HF 功率和與 HF 相關的峰值頻率隨潮氣量和瞬時呼吸頻率變化而變化， 而不需要其他設備來測量呼吸頻率［23］。 本研究中 HF 和 fHF（Ln（fHFm·HFp））在遞增負荷運動中的成U 形波浪曲線，從開始下降到第一閾值（HRVTS1），此時副交感神經活性低， 呼吸頻率相應增加。 后曲線從第二個閾值（HRVTS2）急劇增加，而該閾值可能受過度通氣刺激對竇房結施加機械效應的影響［22］。 在本研究中 HRVTS1和 VT 之間以及HRVTS2和RCT 之間的WP 指標，觀察到非常高的相關性（r＞0.81），這與 Cottin 等［8］在健康受試者中觀察到的相關性結果較一致。 而HR 指標的相關性也接近Mourot 等［24］在心血管疾病患者中觀察到的結果。 本研究觀察到頻域分析確定閾值時相關系數都優(yōu)于時域和非線性分析的結果 （表1）。 這可能是Polar V800 測試HR 時的采樣頻率更高，所以本研究結果中通過HR 均值確定的頻域分析指標所對應的時間分辨率更高，從而結果更接近閾值時HR 的真實值。

表1 干預前后閾值時心率與功率指標相關性

本研究 Bland-Altman 圖結果顯示，VT 與 HRVTS1和 RCT與 HRVTS2相應的 HR、WP 的一致性較高。 而 Mendia 等［25］在跑臺上采用 3 min 逐級遞增運動方案（男：10km/h，女：8km/h），基于 HF 確定的 HRVT 與 RCT 的，HR 指標高度相關，但一致性上存在較大差異（bias=-5.6 beats/min）。 可能主要是不同遞增方案的影響所致， 因為不同的運動特征仍然在某種程度上可能影響 HRV 法推測 VAT 強度的有效性。 Cunha 等［7］的研究結果進一步佐證，跑步、步行和蹬車的每分遞增負荷方案，不同方案中HRVT 與VT 均具有較高一致性，但蹬車（bias=2 beats/min） 的一致性的表現優(yōu)于步行 （bias=4 beats/min） 和跑步（bias=3 beats/min）。 在蹬車遞增負荷運動方案中，Quinart 等［9］為獲得更為穩(wěn)定的RRi，每級運動持續(xù)時間定為3 min，運動測試總間長約為30 min，這可能造成肌肉和（或）或心理方面的疲勞加劇，從而一定程度上致使結果的穩(wěn)定性下降。 所以，本研究采用2 min 功率遞增的測試方案， 受試者在20 min 內完成測試。 本研究采用的測試方案可能較好地控制了肌肉和心理疲勞對結果的影響， 但理論上而言也存在運動持續(xù)時間短、 受試者未能達到真實運動穩(wěn)態(tài)而導致RRi 信號不夠穩(wěn)定的潛在缺陷。 因此將來的研究中，探索更優(yōu)化的運動測試方案以提高HRVT 評價VAT 的效度將是同類研究的一個關鍵點。本研究的Bland-altmand 圖結果顯示，肥胖兒童VT 與HRVTS1和 RCT 與 HRVTS2的 HR，WP 指標的均值偏差接近 0 （圖 1），與正常受試者HRVT 與VT 指標的Bland-altmand 圖結果相近［7］。

綜上，HRVT 很可能是推測肥胖兒童VAT 的有效替代新方法。 但實際應用中，要綜合考慮HRV 的參數選擇與分析方法、遞增負荷方案等因素的限制，提高HRVT 預測VAT 的有效性。 使低成本和非侵入性工具能更廣泛地用于肥胖兒童個性化運動處方的制定、強度的評價與監(jiān)控方面。 但需注意一點的是， 本探索研究初步確認了肥胖兒童在急性遞增負荷運動中心率變異閾值與無氧閾存在較好的一致性， 但目前的研究結果在肥胖兒童慢性運動適應后是否也具備相應的穩(wěn)定性和準確性，仍需要進一步的研究加以確認。

4 結論

基于HRV 頻域分析判定肥胖兒童的HRVT 與VAT 高度相關，有很好一致性。 考慮到在實踐中的廣泛應用前景，低成本和非侵入性的HRV 分析判定HRVT 可能是推測肥胖兒童AT 的有效替代新方法。將來HRVT 用于肥胖兒童個性化運動處方的強度制定與監(jiān)控指標方面，有較好的應用前景。