11~16岁肥胖青少年体力活动耗氧量推算方法实验研究

李海燕 陈佩杰 庄洁

上海体育学院运动科学学院（上海 200438）

肥胖是一种营养障碍性疾病，对儿童青少年的生长发育，心理、体质等方面均有不良影响，而且肥胖人群高血压、动脉粥样硬化、代谢综合征、成年后肥胖等患病率明显高于体重正常者［1，2］。McGovern等的研究表明，体力活动能够降低体脂肪含量［3］，效果与体力活动水平有关［4］。测量体力活动能量消耗是制定膳食营养计划的基础，也是评定运动量的一个重要指标，是科学制定减肥运动处方的基础。目前关于儿童青少年肥胖的研究多集中于发病机制、流行现状、肥胖与健康的关系、运动减肥效果等方面，而在能量消耗测量评价方面的研究报道较少。

测量儿童体力活动能量消耗的常用方法有直接测热法、间接测热法、双标水法、心率监测法、传感器以及直接观察法等［5］，其中，双标水法被认为是测量长时间体力活动能量消耗的“金标准”［6］，间接测热法是测量短时间体力活动能耗的“金标准”，但是这两种方法操作复杂，实验耗费昂贵，受试者配合具有一定难度，限制了其应用范围，一般用于小规模的测试和验证其他方法的有效性和可靠性［7］。在实际运用中，心率是最容易测量的生理学指标，且对受试者活动影响最小，怎样通过心率监控来测量体力活动能耗是学者们所关注的问题。

耗氧量与热量产生二者之间具有恒量关系，通过测量体力活动的耗氧量即能推测出能量消耗［8］。因心率与耗氧量在亚极量运动范围内呈线性关系［9］，根据Fin原理，耗氧量=心率×每搏输出量×动静脉氧差。心脏排血量是影响耗氧量的主要中枢机制，肌肉利用氧的能力是重要的外周机制［10］，瘦体重通常用来反映人体肌肉量，故本研究采用多水平线性模型分析方法，以负荷心率和痩体重为自变量建立推算耗氧量的多元回归方程，期望为肥胖青少年能量消耗的测量提供准确、简易可行的方法。

1 对象与方法

1.1 研究对象

根据“中国学龄儿童超重、肥胖Bmi筛查分类参考标准”［11］选取11～16岁年龄段的肥胖青少年60名，随机分为公式组（40名）和回代验证组（20名），每组男女各半。实验对象来自于上海体育学院巅峰运动减肥中心。告知受试者家长实验测试有关事宜，并签署知情同意书。填写身体状况安全问卷，以充分保障测试的安全性。

1.2 实验方法

1.2.1 一般情况测量

上海光电医用电子仪器有限公司产ECG-6951型心电图机对每一位受试者进行安静心电图检查，电子肺活量计测量肺活量，软带尺测量胸围。采用日本产型号为TBF-215的TANITA Body体成分仪测量身高、体重、体脂百分率。根据公式计算痩体重=体重（kg）-体重（kg）×体脂百分率。

1.2.2 测试方案

公式组40名受试者采用逐级递增负荷方法在德国产H/P/COSMOS PULSAR 4.0专业级运动跑台上进行运动测试。为每一位受试者详细讲解测试过程，充分消除其紧张、兴奋的情绪后，佩戴芬兰产750型POLAR遥测心率仪，佩戴呼吸面罩连接MAX-ⅡPHYSIO-DYNE气体代谢系统（美国）。在跑台上适应性走动3分钟后开始测试，坡 度 为 0， 分 别 以 2km/h、3km/h、4km/h、5km/h、6km/h、7km/h、8km/h的速度进行连续运动，每级负荷2.5分钟后增加速度，以心率达到80%HRmax为运动终止的标准。采用公式［12］（HRmax=208-0.7×年龄）计算最大心率。回代验证组20名受试者采用同样方法，同期进行4km/h、6km/h、8km/h 3个负荷的运动。

采用MAX-Ⅱ PHYSIO-DYNE气体代谢系统连续测量运动过程中的气体代谢参数，包括心率（HR）、耗氧量（VO2）、二氧化碳排出量（VCO2）、呼吸商（RQ）等。

1.3 统计学分析

2 结果

2.1 研究对象基本情况

所有受试者全部完成测试，其年龄、身高、体重、体脂百分比等形态指标及安静心率、肺活量等心肺功能指标如表1。公式组男女间身高、体重、胸围和肺活量差异具有统计学意义。其他指标无差异，而回代验证组各项指标均无差异。

表1 研究对象年龄和形态、机能测试指标

2.2 线性回归方程自变量的选择

由表2可见，经Pearson相关分析，不同性别耗氧量均与负荷后心率的相关系数最高，其次是痩体重和体重。男生组还与身高具有相关性，女生组与胸围具有相关性，而与年龄、肺活量、安静心率不相关。男生组瘦体重与体重、身高的相关系数为 0.897、0.756（P<0.01）、女生组瘦体重与体重、胸围的相关系数为 0.961、0.885（P<0.01）。根据相关性结果分析，最终选择负荷心率和瘦体重作为回归模型自变量。

表2 耗氧量与负荷心率，身体形态、机能指标相关性

2.3 多水平线性模型的斜率、截距分析

在不同运动负荷下，以负荷心率和痩体重为自变量推算耗氧量的随机方程与平均水平的固定方程相比，方程斜率、截距均无显著性差异（P>0.05）。

2.4 多元线性回归方程统计分析结果

建立的多元回归方程R2男生为0.795，女生为0.75，说明在因变量的变异中，分别有 79.5%和 75%是由自变量引起的。方差分析具有极显著性（P<0.0001），说明耗氧量与负荷心率和瘦体重具有直线关系。Durbin-Watson检验结果男生 1.95，女生 2.02，均约等于2，表明误差项独立，回归模型可靠。回归方程自变量系数及常数项有极显著意义（P<0.0001），得回归方程为：男：耗氧量（m l/min）=20.098×负荷心率（bmp）+25.160×瘦体重（kg）-2935.835；女：耗氧量（m l/min）=19.863×负荷心率（bmp）+26.551×瘦体重（kg）-2675.676。

2.5 多元回归方程的回代检验

回代验证组耗氧量预测值与实测值的平均相对误差见表3，男生为6.84%～8.72%，女生为6.53%～8.23%。

3 讨论

张春华等［13］用建立个人心率－耗氧量线性关系的方法，以在校大学生为研究对象，进行了上海市成人不同体育健身项目能量消耗的研究。本研究参考其方案，采用跑台测试方法，从2km/h的负荷开始，速度逐级递增，同步记录心率和耗氧量变化来观察负荷心率与耗氧量的关系。因本研究目的是建立运动的耗氧量推算方程，而适宜的运动强度通常是70%～80%HRmax，相当于55%～75%最大耗氧量［14］，所以将达到 80%HRmax为运动方案终止标准。目前，国内外研究尚无用于肥胖儿童最大心率的计算公式，国内学者仍沿用传统公式（HRmax=220-年龄）制定肥胖儿童运动处方［15］，而 meta分析表明［12］，公式HRmax=208-0.7×年龄的准确性优于传统公式，故采用后者计算最大心率。

儿童少年的最大摄氧量受年龄、性别、体格发育、功能发育、遗传因素等影响［16］。肥胖儿童脂肪过度堆积，心脏负荷加重，心功能受累，在运动负荷下心功能参数的动态改变与同龄体重正常儿童不同［17］。因此本研究建立的回归方程按男女不同性别分开，以反映心功能的负荷心率作为自变量，同时增加了年龄、安静心率、肺活量、身高、体重、胸围等代表个体心肺功能及体格发育的指标作为入选自变量。有研究表明［18］，青春期VO2max及安静时VO2与瘦体重有关，当用体格大小来表示VO2max时，瘦体重是最合适的指标。为更准确反映肥胖青少年有氧能力，本实验将痩体重也作为入选自变量。

经过相关分析发现，男生耗氧量与负荷后心率的相关系数为0.807，女生为0.755，具有极显著统计学意义。身体形态学指标相关分析表明，男女生耗氧量均还与瘦体重、体重相关（P<0.05及P<0.01），瘦体重相关系数高于体重，而与身高、胸围的相关性不完全相同，这与肌肉利用氧的能力是耗氧量外周影响机制的理论一致，故最终选择负荷心率和瘦体重作为回归模型自变量。

在不同负荷水平下心率呈动态变化，是若干单位聚集在不同水平的层次结构数据，因此需要判断不同水平下的心率、痩体重与摄氧量的线性关系能否用一个平均方程表示。数据多水平统计模型［19］能够有效处理这种资料。经多水平线性模型分析，男女组在不同负荷水平下线性方程截距均无差异（P>0.05），负荷心率与痩体重斜率也无差异。因此，在不同负荷水平下的多元回归模型可以用同一模型表示，耗氧量与负荷水平有关，而不受负荷形式影响。

表3 多元回归方程的回代检验结果

在实验过程中观察到，部分受试对象佩戴呼吸面罩后，在安静状态下和以2～3km/h的速度运动时，心率出现不同程度增加，而耗氧量增加幅度不明显，可能与受试者情绪紧张、心肺功能偏弱，佩戴呼吸面罩增加了解剖无效腔后，心血管系统的调节作用使心率反射性加快等有关。

以 4km/h、6km/h、8km/h的速度运动，强度分别为3.0MET、4.5MET、8.0MET［20］。根据美国疾病控制中心（CDC）制定的标准，低于3MET是低强度运动，3～6MET是中等强度运动，高于6MET是大强度活动［21］。本实验中，上述三个速度分别代表中低强度、中等强度、大强度运动进行回归方程的回代验证。男生平均相对误差在6.84%～8.72%之间，女生在6.53%～8.23%之间，平均相对误差均低于10%。此方程可较准确预测11~16岁肥胖青少年进行中低强度以上步行慢跑的耗氧量。从数理角度出发，本实验可应用于不同形式、不同负荷体力活动的耗氧量推算。但在具体应用于其他运动形式时，仍需要进一步验证。

4 总结

应用多水平线性模型分析的方法建立以负荷心率和瘦体重为自变量预测耗氧量的多元回归方程，能够较准确地推算11~16岁肥胖青少年进行步行、跑步两种运动的耗氧量，但不适用于安静状态和强度低于3MET的活动项目耗氧量以及最大摄氧量的推算。

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