高強度間歇訓練對女大學生骨密度及體適能的影響

李珂珂 卜淑敏 李慶 張麗

首都體育學院，北京 100191

隨著科技的進步，人們的生活方式發(fā)生了很大的改變。智能手機、游戲機的使用延長了人們的屏前時間，而網購、外賣等消費習慣減少了人們的體力活動時間，尤其是對于年輕人[1]。體力活動不足不僅使人們的體質下降，而且易導致超重和肥胖。雖然超重和肥胖是心血管疾病、高血壓、糖尿病、多種癌癥的重大風險因素，但超重和肥胖可以通過體重、脂肪重量、骨形成和吸收、促炎性細胞因子和骨髓微環(huán)境等多種機制對骨骼實施有益和有害雙重影響[2-3]。即最佳肥胖程度對骨骼產生有益的適應性影響，而高或低的肥胖都對骨骼產生有害影響。

眾所周知，促進骨骼健康的首選方法是增加體育鍛煉。女性青年時期進行體育鍛煉能提高和維持其峰值骨量，可預防將來絕經后骨質疏松的發(fā)生。雖然高沖擊力或高強度負重運動可以通過增加骨轉換、減少骨細胞凋亡和提高骨細胞的活性來產生促成骨效應[4]，但最近的一項研究[5]表明，高強度、低沖擊力的自行車運動也可以產生與力量訓練等高沖擊力運動相似的骨轉換效應。

高強度間歇訓練(high-intensity interval training, HIIT)是近年來流行起來的一種深受青年人群喜愛的減重健身訓練方法。目前有關HIIT對青年女性的研究大多只關注其改善同一人群的體成分、提高體適能方面的效果，很少探討HIIT在減重健身時對不同BMI青年女性體適能和骨健康的影響[6-9]。由于脂肪對骨骼尤其是青年女性的影響比較特殊，過低和過多都能導致骨量下降[2-3,10]，我們推測不同BMI青年女性可能由于其身體成分的差異對HIIT的適應不盡相同。鑒此，本文對比研究了8周HIIT對正常體重和超重女大學生體適能和骨健康相關指標的影響，旨在為HIIT在青年女性減重健身中的應用提供理論參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 對象與分組

從某大學隨機招募的受試者中篩選出22名非體育專業(yè)在校女大學生，其中12名體重正常(18.5 kg/m2≤BMI<24 kg/m2)，10名超重(24 kg/m2≤BMI<28 kg/m2)[11]。所有受試者在實驗前填寫了健康問卷并簽署了知情同意書，本研究方案得到我校道德倫理委員會的批準。研究對象的納入標準：①18～25歲；②18.5 kg/m2≤BMI<30 kg/m2；③無任何急、慢性疾病；④月經周期正常；⑤非體育專業(yè)，除體育課外，近三個月沒有進行過有規(guī)律的體育鍛煉；⑥近半年沒有服用過任何與骨代謝相關的藥物；⑦自愿參加本實驗，積極配合各項指標檢測和問卷填寫。研究對象的排除標準：①半年內體重有較大的波動(>2 kg)；②患有哮喘、心臟病、高血壓、腫瘤等運動禁忌癥；③近3個月內做過任何手術；④有抽煙、喝酒等不良嗜好。根據(jù)BMI的不同，將22名受試者分為正常體重組(NW組，n=12人)和超重組 (OW組，n=10人)。兩組受試者基本資料見表1。

表1 受試者基本信息Table 1 Basic information of

1.2 HIIT方案

兩組受試者均需進行為期8周，每周3次，每次30 min的HIIT。具體方案為：先以60 W的強度熱身5 min，再以85 %～90 %峰值攝氧量(peak oxygen uptake，VO2peak)強度蹬車3 min，然后以35 %～45 %VO2peak的強度蹬車2 min，重復6組后，以50～60 W強度放松5 min[12]。期間給予受試者鼓勵使其蹬車的節(jié)律保持在60±5 r/min[13]。在訓練的第1～3周，高強度訓練的運動強度為85 %VO2peak，第4～5周逐漸由85 %VO2peak過渡到90 %VO2peak，第6～8周穩(wěn)定在90 %VO2peak。每次訓練期間佩戴Polar藍牙心率帶實時監(jiān)控心率的變化以控制運動強度，并通過主觀感覺量表(Borg scale 6-20)記錄受試者運動中的主觀疲勞狀態(tài)，用以評定運動時所達到的強度。在具體實驗操作中，可根據(jù)受試者的身體狀況和運動反饋進行適當調整，以確保研究安全有效進行。干預方案如圖1所示。訓練期間不對受試者進行任何飲食控制，但要求其飲食和體育活動等生活習慣保持不變。

圖1 HIIT方案Fig.1 HIIT program

1.3 指標檢測與方法

1.3.1體成分和骨密度測試：分別在訓練開始前48 h和結束后48 h，采用雙能X射線骨密度儀(GE Lunar DPX-NT)測量受試者的體成分和骨密度。

1.3.2血液采集和指標檢測：要求所有受試者禁食12 h，采血前24 h禁止任何運動，于當天清晨8：00之前到達中關村醫(yī)院體檢中心，抽取肘靜脈血10 mL, 靜置30 min，以3 000 r/min離心15 min后，取血清。血清骨鈣素(OCN)和25(OH)D采用電化學發(fā)光法檢測，試劑盒購自德國羅氏公司，所用儀器為羅氏Co base 601 免疫檢測分析儀。

1.3.3體適能指標測試：VO2peak的測定采用功率自行車和氣體分析儀(AEI moxus，美國)。測試前兩天要求受試者不能劇烈運動，且主觀感覺良好，在蹬車前佩戴Polor藍牙心率帶，帶好呼吸面罩，按照設定的運動模式進行。首先以50 W的功率蹬車5 min，隨后功率負荷每1 min增加12 W，逐級遞增直到不能堅持[9]，期間要求蹬車頻率保持在60±5 r/min。VO2peak評判標準：①心率達到預算的最大心率(220-年齡)或心率進入平臺期，不再隨著負荷增加；②呼吸商≥1.15；攝氧量達到平臺，變化量<150 mL/min；③難以維持50 r/min轉速蹬車超過20 s；④主觀體力感覺>18.0。以上標準出現(xiàn)3個即可判斷達到VO2peak。

采用立定跳遠測定下肢爆發(fā)力。每人跳3次，取最高成績[8]。

采用400 m跑評估速度耐力。

采用十秒象限跳記錄受試者在10 s內跳躍的次數(shù)，以評價受試者下肢靈敏性[14]。

1.4 統(tǒng)計學處理

采用SPSS 26.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析，實驗數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示。訓練前，采用獨立樣本t檢驗進行組間比較，時間與組別的交互效應采用重復測量方差分析，時間(訓練前vs訓練后)為被試內因素，組間(NW vs OW)為被試間因素。在主效應和交互效應顯著的情況下采用配對樣本t檢驗確定組內的時間效應，采用獨立樣本t檢驗確定訓練前與訓練后的組間差異。當配對樣本t檢驗P<0.05時，采用Cohen d估計效應量。Cohen d的評價標準為：小效應(0.2≤d<0.5)；中等效應(0.5≤d<0.8)；大效應(d≥0.8)。當P<0.05為差異具有統(tǒng)計學意義，P<0.01為差異具有顯著統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 HIIT對NW組和OW組身體形態(tài)和體成分影響的比較

如表2所示，不同時間點，體重、BMI、腰圍、腰高比、體脂率、全身脂肪含量、腹部和髖部脂肪含量差異具有統(tǒng)計學意義 (P<0.05或P<0.01)，而兩組的肌肉含量和瘦體重差異無統(tǒng)計學意義 (P>0.05)；組別間的體重、BMI、腰圍、腰高比、體脂率、全身脂肪含量、瘦體重、腹部和髖部脂肪含量差異具有統(tǒng)計學意義 (P<0.05)；肌肉含量在時間、組別和其交互項上差異均無統(tǒng)計學意義 (P>0.05)，其他各指標在時間與組別的交互項上差異也無統(tǒng)計學意義 (P>0.05)。

t檢驗得出，與訓練前相比，NW組的體脂率、全身脂肪含量、腹部和髖部脂肪含量均極顯著下降(P<0.01)，而體重和BMI差異無統(tǒng)計學意義 (P>0.05)。OW組的體脂率、全身脂肪含量、腰圍、腰高比和腹部脂肪含量顯著下降(P<0.05)，而體重、BMI和髖部脂肪含量極顯著下降(P<0.01)；組間比較可知，訓練前后，OW組和NW組的身高和瘦體重差異均無統(tǒng)計學意義 (P>0.05)，兩組的肌肉含量在訓練前差異無統(tǒng)計學意義 (P>0.05)，訓練后差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，而其他指標在訓練前差異就有統(tǒng)計學意義 (P<0.05)。

2.2 HIIT對NW組和OW組骨密度影響的比較

如表3所示，不同時間點股骨骨密度差異具有統(tǒng)計學意義 (P<0.05)；組別間的全身骨密度和腰椎骨密度差異有統(tǒng)計學意義 (P<0.05)；時間與組別的交互項差異無統(tǒng)計學意義 (P>0.05)。

t檢驗得知，與訓練前相比，NW組的股骨骨密度顯著增加(P<0.05)，而兩組的全身骨密度、腰椎骨密度和髖骨骨密度差異無統(tǒng)計學意義 (P>0.05)。組間對比表明，NW組和OW組的全身骨密度、腰椎骨密度和髖骨骨密度差異均有統(tǒng)計學意義 (P<0.05)，而兩組的股骨骨密度在訓練前差異無統(tǒng)計學意義 (P>0.05)，訓練后差異有統(tǒng)計學意義 (P<0.05)。

表2 HIIT對正常體重和超重女大學生身體形態(tài)和體成分的影響Table 2 Effect of HIIT on morphology and body composition in normal-weight and overweight female college

表3 HIIT對正常體重和超重女大學生骨密度的影響Table 3 Effect of HIIT on bone mineral density in normal-weight and overweight female college

2.3 HIIT對NW組和OW組骨代謝生化指標影響的比較

如表4所示，不同時間點，只有25(OH)D差異有統(tǒng)計學意義 (P<0.01)，組別間差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，各指標的交互項差異也無統(tǒng)計學意義 (P>0.05)。

t檢驗結果得出，與訓練前相比，兩組的25(OH)D水平均顯著增加(P<0.01)，其他指標雖有變化，但差異并無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。組間分析表明，兩組各項指標在訓練前后差異均無統(tǒng)計學意義 (P>0.05)。

表4 HIIT對正常體重和超重女大學生骨代謝生化指標的影響

2.4 HIIT干預對NW組和OW組體適能影響的比較

如表5所示，不同時間點，VO2peak、十秒象限跳、立定跳遠和400 m成績差異具有統(tǒng)計學意義 (P<0.05或P<0.01)；組別間的VO2peak和400 m成績差異具有統(tǒng)計學意義 (P<0.05)；VO2peak的時間與組別的交互項差異具有統(tǒng)計學意義 (P<0.05)。

t檢驗得出，與訓練前相比，兩組的十秒象限跳、立定跳遠和400 m跑成績均顯著提高(P<0.05或P<0.01)。NW組的VO2peak顯著提高(P<0.01)，而OW組的差異無統(tǒng)計學意義 (P>0.05)。組間對比得出，訓練前后兩組的400 m跑成績差異均有統(tǒng)計學意義 (P<0.05)，而兩組的VO2peak在訓練前差異無統(tǒng)計學意義 (P>0.05)，訓練后差異有統(tǒng)計學意義 (P<0.05)。

表5 HIIT對正常體重和超重女大學生體適能的影響Table 5 Effect of HIIT on physical fitness in normal-weight and overweight female college

3 討論

身體成分是指身體各成分的含量及比例。許多研究[15-16]已證實HIIT能有效降低脂肪含量和體脂率。本研究8周HIIT后，NW組和OW組的體脂率和脂肪含量均顯著下降。此結果與Zeng等[15]和Maillard等[16]的研究結果相似。此外，兩組的腹部和髖部脂肪含量均顯著下降。這與Kong等[17]和Zhang等[18]的研究結果一致。雖然腹部和髖部脂肪含量與腰圍和臀圍密切相關，但本研究中只有OW組的腰圍和腰高比有顯著變化，而NW組的腰圍和腰高比無顯著變化。這與Da Silva等的研究結果一致[19]。由于蹬功率自行車是坐在鞍上，靠下肢發(fā)力，OW組的受試者往往更多轉動腰腹部以帶動下肢運動，腰腹部在不斷擠壓轉動過程中受到比NW組更大的刺激，因此下降率會大于NW組。可見，相同運動量的HIIT更易于降低超重女大學生的腰圍和腰高比。內臟脂肪的減少往往伴隨著體重的減少。本研究中，OW組的體重顯著降低，而NW組的體重卻無顯著變化。這與Ouerghi等[20]在男大學生中和Kargarfard等[21]在10～14歲青少年中得出的結果均一致。可見，同樣運動量的HIIT更易于降低超重女大學生的BMI和體重。

骨密度是反映骨質量的重要指標之一。前人研究[22-23]證實，超重和肥胖人群往往含有比正常體重更高的骨密度和骨礦鹽含量。同樣本研究中，訓練前OW組的全身骨密度和腰椎骨密度顯著高于NW組。訓練后，只有NW組的股骨骨密度較干預前顯著增加。Kanako等[24]認為這種局部骨密度的增長可能與年齡的增長、體力活動和體重承載有關。Kanako的研究得出，低負荷的運動能夠提高絕經后女性的髖骨骨密度，但不能提高絕經后女性全身及脊柱骨密度[24]。先前的研究[6]結果表明，在達到峰值骨量之前，骨特異性負重運動是增加局部特異性骨量的重要因素，高強度負重訓練與骨密度和骨強度之間一直存在正相關。Benedetti等[25]也認為訓練對骨密度的增加只限于局部受到刺激的部位，而全身的骨密度則需要更大強度與更長時間的訓練。本研究采用的是靠下肢發(fā)力的功率自行車運動，運動中股骨受到的力學刺激最大，因此其骨密度增加最多。至于為什么超重受試者股骨骨密度沒有增加，可能與其基礎值較高有關。

HIIT這種間歇式的訓練模式能夠通過招募廣泛的肌纖維，增強肌肉氧化能力，使乳酸的生成與清除保持平衡狀態(tài)，進而提高了機體的緩沖能力，有利于心肺適能的改善[26]。本實驗中，8周HIIT對NW組和OW組VO2peak的干預效果存在一定差異，具有組別和時間的交互效應。Benedetti等[25]指出短期(少于12周)HIIT對正常體重人群VO2peak的干預效果優(yōu)于超重人群，長期(大于12周) HIIT對超重人群的VO2peak干預效果優(yōu)于正常體重人群。超重組受試者由于體脂率高于正常體重組，血液黏稠，血流量下降，不利于氧氣的運輸與利用, 進而影響VO2peak的提高，相比體重正常人群需要較長的干預時間。因此，HIIT更有利于提高正常組受試者的VO2peak。

肌肉適能是指機體依靠肌肉收縮克服和對抗阻力并維持身體活動的能力。立定跳遠成績能夠衡量機體的下肢肌力、爆發(fā)力和協(xié)調性。Da Silva等[20]發(fā)現(xiàn)經過12周HIIT后，體重正常和超重青少年的下肢爆發(fā)力均有所提升。Evangelista等[27]指出訓練后立定跳遠成績的提高與肌肉力量的增強有關，也與代謝應激刺激導致肌肉肥大和神經肌肉的適應性提高有關。而Buchan等[28]指出肥胖受試者運動能力的提高與脂肪含量的下降密切相關。本研究中，8周間歇訓練使兩組受試者的脂肪含量下降，導致肌肉之間的聯(lián)合協(xié)調能力增強，進而提高了下肢的爆發(fā)力。

400 m成績是評價機體絕對速度和速度耐力素質的指標[29]。許多研究[25]表明，HIIT能夠提高普通健康人群的VO2 max和肌肉力量，而肌肉力量的增加有利于跑步時步頻與步幅的增加，在一定程度上有利于400 m成績的提高[30]。本研究中，8周HIIT后，NW組和OW組400 m成績較干預前均顯著提高。這與Buchan等[28]研究結果一致。對于沒有訓練基礎的普通女大學生來說，機體的心肺耐力和乳酸耐受程度是決定400 m運動成績的關鍵[26]，而肌肉與脂肪的比例也決定著運動成績的好壞[18]。因此，兩組400 m成績的增加可能是因為兩組肌肉力量的增加、乳酸代謝能力的增強、體脂率的下降和脂肪含量的減少。

靈敏素質一般是指機體在短時間內順應環(huán)境的變化，迅速改變空間位置，流暢完成動作的能力。許多研究表明機體的肌肉質量、肌肉彈性、肌肉力量、協(xié)調能力、動態(tài)平衡能力、關節(jié)靈活性等會影響運動員的靈敏性。Pau等[31]采取功率自行車方式進行訓練，結果發(fā)現(xiàn)12周的有氧和力量訓練能提高中年女性的靈敏素質。本研究干預結束后，NW組和OW組十秒象限跳成績均顯著提高，這說明本實驗干預有利于提高機體下肢靈敏性，且對正常體重和超重女大學生的的影響相似。

本研究對不同BMI女大學生的研究均為小樣本量，可能會存在個別受試者異常情況，對總結歸納結果可能會有一定影響；沒有在研究中期采集一次受試者各項指標變化的數(shù)據(jù)，無法觀察各項指標的動態(tài)變化；本研究對象雖為超重女大學生，但超重程度還不夠高，在某些指標的變化上可能與體重正常女大學生的變化相差不明顯，因此多數(shù)指標的變化率差異并不顯著。盡管本研究有上述局限性，但本研究的結果表明，8周高強度間歇功率自行車訓練易于改善超重女大學生的身體形態(tài)，且易于增加正常體重女大學生的股骨骨密度以及提高其心肺適能。