MAX并蚝蚔max Spectra 229D两种心肺功能测试仪的应用比较

刘刚 李焕品 李稚

摘 要：对MAXⅡ和Vmax Spectra 229D两种心肺功能测试仪的主要测试指标进行对比分析。22名受试者分别进行2次独立的跑台递增负荷运动测试，同时采集记录相关参数指标。结果发现：2次测试时受试者的HRmax和RPEimpex无显著差异，但BLAimpex和Tmax存在非常显著性差异；除RQmax、BFmax两仪器间无差异外，MaxⅡ仪器测试的O2max/kg、VCO2max、VEmax（P<0.01）和O2max指标（P

关键词： MAXⅡ；Vmax Spectra 229D；运动测试；有氧能力

中图分类号： G 804.2 文章编号：1009783X（2015）02016005 文献标志码： A

Abstract：The purpose of this study is to compare and assess the agreement between gas exchange variables measured by the AEI MAXII and the Sensormedics Vmax Spectra 229D cardiorespiratory function testing instruments.Twentytwo physically fit subjects performed an incremental treadmill exercise test to volitional fatigue on two separate occasions.The results indicate that O2max/kg，VCO2max，VEmax（P

Keywords：MAXⅡ；Vmax SPectra 229D；exercise measurement；aerobic caPacity

收稿日期：20140722

作者简介：刘刚（1978—），男，山东日照人，硕士，助理研究员，研究方向机能测试与评价；李焕品（1979—）女，河南洛阳人，硕士，副教授，研究方向为体适能与健康；李稚（1977—），女，广西柳州人，硕士，副研究员，研究方向运动性疲劳与恢复及训练监控。

作者单位：1广东省体育科学研究所，广东广州 510663；2湖南科技学院体育系，湖南永州 425199

1. Guangdong SPorts Science and Research Institute，Guangzhou 510663，China；2. Hunan University of Science and Engineering，Yongzhou 425100，China. 运动的气体交换测量可用于评价个体的心肺适能和有氧能力[12]。运动气体代谢测试技术经历了几个阶段的发展，从早期的道格拉斯气袋法、混合室法，到如今日益成熟的逐次呼吸测试法（breath by breath），实现了巨大的飞跃。逐次呼吸法的提出到现在也经历了3个发展阶段：第1阶段的小混合室法（采用封闭模式技术）；第2阶段的微型混合室法（采用开放模式技术）；第3阶段的无混合室法（采用开放模式最新技术）[34]。

伴随着气体代谢测试技术的发展，许多品牌的心肺功能仪产品不断涌现；但由于商业原因，许多仪器的分析、原理和计算方法等内容都未公开[5]，而且相关仪器的信度和效度研究及不同仪器间比较的研究有限，且结论也不一致[46]。由于这些信息的重要性，研究人员有必要亲历亲为对仪器进行性能验证和分析比较。美国AEI Technologies公司的MAXⅡ心肺功能测试仪采用breath by breath测试技术（高速、低阻抗4.2 L小混合室法）[7]，为广东省体育科学研究所近年添置的测试设备。尽管MAXⅡ仪器的国内、外用户数量不少，但关于该仪器的基础评价和应用研究的文献报道不多[812]。Vmax Spectra 229D心肺功能测试仪为实验室早先添置的测试设备（美国Sensormedics公司产品，采用breath by breath测试技术的微型混合室法），已使用多年且涉及该仪器应用的文献报道众多[1321]。为了更好地提供测试服务，基于MAXⅡ仪器实验室环境下的稳定性评价（同期进行的试验研究），本研究对该仪器与Vmax Spectra 229D仪器的气体测试指标进行比对分析，希望为MAXⅡ仪器的进一步应用提供支持，也为不同仪器的测试数据管理和代替使用提供参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

考虑到先前和将来的实际应用服务中涉及男女受试者，同时基于摄氧量水平的性别差异，研究应在更宽广的范围内对两种仪器进行比对。此次测试选择广东省体育职业技术学院的男女大学生志愿者各11人。平均年龄为（21.18±1.14）岁，平均身高为（168.05±7.14）cm，平均体重为（59.68±10.26）kg，见表1。受试者身体健康，有一定的运动基础，口头询问其健康状况，排除其心血管系统疾病、呼吸系统疾病及遗传性疾病等影响，女生排除测试期间的月经影响。

表 1 受试者基本资料

1.2 研究方法

1.2.1 测试方案和环境

测试在广东省体育科学研究所实验室进行（确保测试期间实验室环境一致，温度均控制在20～28 ℃，湿度控制在50%～60%）。测试日期为2009年9月10日—2009年9月19日，统一时间为09：00-11：30，14：00-17：00，受试者的测试顺序和测试时间抽签确定后，保持不变。由于同期的试验设计也兼顾了AEI MAXⅡ系统的稳定性研究，因此受试者都先采用了MAXⅡ仪器进行测试，然后采用Vmax Spectra 229D仪器进行测试，2次测试间隔3 d。

1.2.2 测试前准备工作

所有针对受试者的准备工作内容一致，包括：1）详细解释试验内容和测试程序，记录受试者基本资料；2）告知试验须知相关内容，严禁受试者测试前24 h参加剧烈活动、服用药物、饮用咖啡或酒精、吸烟，正常睡眠作息；3）抽签确定受试者测试顺序；4）安排受试者2次跑台（德国h/p/cosmos公司产品）运动练习（速度不超过10 km·h-1）至熟练；5）受试者体验2种测试系统的呼吸方式：Vmax SPectra 229D仪器采用面罩（ORONASAL MASK） 呼吸（美国Hans Rudolph公司，8930系列）和配套的头罩固定（美国Hans Rudolph公司，200526 head cap），而 MAXⅡ仪器采用口嘴（mouthpiece）呼吸和配套的头箍固定（美国Hans Rudolph公司，2726 headgear），同时用鼻夹夹住鼻子；6）受试者熟悉Borgs RPE 量表（15点法）的使用。

1.2.3 测试日工作

各测试日工作一致。至少提前30 min仪器开机预热，并依据各自仪器的操作规范进行流量定标（3 L定标筒）和气体定标（MAXⅡ仪器和Vmax Spectra 229D仪器都进行O2和CO2传感器自动定标，此外MAXⅡ仪器还要进行手动定标（即双重校准），各定标气体都由佛山MESSER公司依要求平衡法罐装），其中流量定标在每天的上午和下午测试前各进行一次，气体定标在每人测试前都进行。

受试者到达实验室后取安静心率，RPE和血乳酸值（手指取第2滴血后先保存，于当天下午由专业实验人员于Biosen C line GP乳酸分析仪完成测试），佩戴心率表（POLAR N2965）后拉伸和准备活动5 min，随后静坐休息5 min，然后佩戴连接气体采样装置，检查确定舒适性与否漏气，达到测试要求后站立跑台，记录安静1 min时气体代谢指标。

测试开始，受试者采用本实验室改良的跑台递增负荷运动程序（初始8 km/h，坡度1%，坡度每级递增1%，速度每级递增0.8 km/h，每级维持2 min），运动至力竭终止。运动过程中提醒受试者保持精神放松及稳定节奏，以避免因精神紧张及运动不当而过早运动终止，高负荷时对受试者不断鼓励，运动终止后询问受试者，记录运动感受和终止原因。运动中实时记录级末心率和级末RPE值，运动后取即刻RPE，血乳酸值，并记录运动时间。2种仪器配备各自软件对收集数据进行处理，气体指标测试取值时间均为每30 s 1次。

1.2.4 测试指标

最大摄氧量（O2max）、相对最大摄氧量（O2max/kg）、最大二氧化碳排出量（VCO2max）、最大呼吸商（RQmax）、最大呼吸频率（BFmax）、最大通气量（VEmax）、心率（安静心率HRrest ，最大心率HRmax）、乳酸（安静值BLArest，运动后即刻值BLAimpex）、RPE（安静值RPErest，运动后即刻值RPEimpex）以及运动时间（Tmax）。

1.2.5 数据处理

采用SPSS 11.5统计软件包进行统计分析。经正态分布及方差齐性检验后，所有数据结果用平均数±标准差表示，对两组数据进行配对t检验，Pearson相关及线性回归分析和ICC（组内相关系数）一致性分析，P<0.05为具有显著统计学意义，P<0.01为具有非常显著的统计学意义[6]。

2 研究结果

确保测试环境，测试前的准备工作以及测试日工作前后一致。依据配对观察比较试验样本的要求[22]和试验控制的考虑，此次试验选取受试者22人（试验观察对子数为44），剔除因漏气、意外中断等原因产生的无效数据外，最终采用的有效样本数量为20。

2次测试的HRmax均值比较无显著性差异（P>0.05），RPEimpex均值比较也无显著性差异（P>0.05），但Vmax Spectra 229D仪器测试的BLAimpex非常显著低于MAXⅡ仪器时的测试值（P<0.001），而且其Tmax也非常显著高于MAXⅡ仪器的测试值（P<0.001），见表2。

主要气体代谢指标O2max/kg、VCO2max、VEmax（n=20）2次测试间比较，有非常显著性差异（P<0.001），O2max有显著性差异（P<0.01）、0.787（P<0.001）、0.805（P<0.001）和0.778（P0.75）[2324]。

表 2 2种仪器测试时HRmax等指标比较

对2组数据进行回归分析，可见O2max，VCO2max，VEmax3指标回归方程中，其斜率均具有统计学意义（P=0.000）。直线回归方程为：O2max指标Y=0.932X+477.764（R2 0.620）；VCO2max指标Y=0.997X+468.576（R2 0.648）；VEmax指标Y=0.771X+37.83（R2 0.605）（Y为Vmax Spectra 229D测试值，X为MAXⅡ测试值）。

对2组数据进行ICC一致性检验发现，O2max/kg 指标的ICC系数为0.57，一致性较差；O2max、VCO2max和VEmax3指标的ICC系数大于0.75，表示一致性良好[2526]，见表4。

表 4 2种仪器测试的主要气体指标的ICC系数

3 分析讨论

3.1 2次测试的运动强度和运动表现的比较分析

心率和乳酸是常用的反映训练和运动强度的客观指标，运动时心率和血乳酸浓度的变化与运动强度密切相关[2730]。RPE（rating of perceived exertion，主观体力感觉等级）综合了其体内外环境信息的主观评价，被视为有效可行的监测运动强度的主观指标[3032]。此次试验选用心率、RPE、血乳酸3指标来监测反应运动强度。

测试前受试者的HRrest、RPErest和BLArest值没有显著性差异（P>0.05），保证受试者测试前的基础状态保持一致。MAXⅡ和Vmax SPectra 229D仪器测试时的HRmax分别（191.68±7.39）b·min-1和（191.63±6.39）b·min-1，见表5，没有显著性差异（P>0.05）且显著正相关（r=0.883），2次测试的最大心率都介于[（220-年龄）±10]区间，心率强度都达到了极限强度水平。RPEimpex分别为15.80±1.96，16.20±1.20，见表5，均无显著性差异（P>0.05），主观感觉都介于吃力与非常吃力之间。BLAimpex分别为（13.10±1.93）mmol·L-1和（11.13±1.87）mmol·L-1，都超过了10 mmol·L-1，乳酸水平都符合O2max判断的条件[33]；但两测试值之间具有非常显著性的差异（P

运动时血乳酸浓度的变化不仅取决于运动的强度和持续时间，而且还受运动前饮食（肌糖原贮备）、运动过程中的情绪紧张等因素影响[30，33]。实验期间对受试者的饮食要求尽力避免了高糖高脂饮食而对血乳酸浓度变化的影响，而且Vmax SPectra 229D仪器测试时的运动时间相对更长，但MAXⅡ仪器测试时受试者的情绪变化可能会导致血乳酸的升高：先前研究已证实了情绪紧张时可造成儿茶酚胺分泌增多进会而使血乳酸增高[34] 。运动结束后进行的询问调查显示，受试者对MAXⅡ仪器测试时的评价多负面，如导气管太重、嗓子易干、唾液吞咽难、视野受限等，这些不适极有可能引起运动中的心理和情绪变化，进而引起了血乳酸的进一步升高。

出于同期进行的MAXⅡ稳定性研究考虑，本研究采用先MaxⅡ，后Vmax Spectra 229D仪器的测试顺序。尽管不是随机选择，但两次测试间隔长约3 d，间歇期间受试者禁止参与剧烈运动等考虑已尽力避免前一次测试带来的后效应，不致使影响受试者的有氧能力。研究认为后进行的Vmax Spectra 229D仪器测试时的相对低水平BLAimpex，并不是受试者有氧代谢能力提高的表现。

在相同递增负荷的运动模式中，运动时间长短反应了机体运动能力的大小和总运动量[29，35]。运动时间Tmax分别为（533.32±58.55）s和（551.16±58.85）s，见表5，非常显著性差异（P

本次研究的假设前提是受试者在2次测试的运动时间和运动表现相同，实际结果却与假设不符：MAXⅡ仪器的运动时间比Vmax 229D仪器短，对大强度运动时的耐受力低。针对这一结果，可以认为可能与仪器测试时采用的通气管和呼吸方式产生的影响有关联。MAXⅡ仪器连接的吸气和呼气两套管道系统呼吸阻力大（尤其呼吸频率高、流速快时），客观上受试者会因高通气的限制而无法正常发挥其最大运动能力[36]。此外，由于通气管相对粗而重，如果采用面罩呼吸则会因通气管的扯动（尤其在跑台上进行剧烈运动时）影响面罩与脸部间的密封而导致严重漏气，采用口嘴呼吸和头箍固定则可固定牢固，减少这种漏气现象。不过同时却引出另外的问题：相比较面罩呼吸口嘴呼吸有很多不适体验（如上所述）。Hirsch等[37]及Farley等[38]的研究中都有关于不适评价的类似描述，他们认为相比口嘴呼吸，面罩呼吸更加舒适，对运动的耐受力更高，能更真实地表现出力竭状态时的水平。

综上所述，基于实验室环境的稳定控制和测试工作的严格一致，在1周内的2次递增负荷运动测试中，受试者测试前的初始状态表现相差不大，运动中的最大心率和主观用力感觉也没有显著差异；但运动后即刻血乳酸浓度和运动时间非常显著性差异。可以认为2次运动所完成的运动量和运动负荷并不完全一致，大强度运动下的耐受力和表现能力不同，究其原因可能与采用不同呼吸方式带来的影响有关。

3.2 主要心肺功能测定指标的分析讨论

本研究选取6项常用的心肺功能测定指标进行分析，其中代谢功能指标O2max/kg、O2max、VCO2max、RQmax（RQ等于VCO2与VO2比值），通气功能指标VEmax、BFmax。配对t检验发现O2max/kg、VCO2max和VEmax 2次测试间有非常显著的差异（P<0.01），O2max有显著性差异（P

本研究认为造成这种差异的主要原因与2种仪器的原理构造不同有关。MAXⅡ系统采用顺磁式氧分析器（Paramagnetic oxide analyzer）及压差式流量传感器部件，气体交换测量采用封闭模式技术的小混合室法（混合式体积约为4.2 L）。由于混合室的大小不能够根据潮气量进行动态调整（使恰好等同于一口气呼出的气体量），物理混合的速度不能够尽可能地快，从口腔经呼吸管道到混合室采集的延迟时间会有波动，尤其是大通气量下不能保证通气测量与呼出气平均浓度测量同步而影响气体测量的精确度[3]212。Vmax 229D仪器采用电化学氧分析器 （electrochemical O2 analyzer） 及热敏式流量传感器部件采样频率分析能力与MAXⅡ仪器也不同。它使用开放模式的微型混合室法（约8 mL）的测量技术，其物理混合速度相比小混合室快，混合速度对测试精度的影响相对小，而且管道的延迟时间取决于计算机控制的伺服抽气泵，也保证了大通气量下的测试精度[3]213。影响测试差异的另一个原因可能与上述的运动表现不同有关，两次运动时间和运动能力的不同自然引起了同步分析气体指标间的差异。

Pearson相关分析主要反映变量间线性关系变化的方向和密切程度，对t检验显著差异的4指标继续进行Person相关分析，发现尽管O2max/kg的相关具有显著性差异（P<0.01），但相关水平仍为低度相关（r0.75），见表3，说明这3指标2仪器测试结果之间的密切程度高。ICC（组内相关系数）检验对测量的系统误差和随机误差都敏感，被认为是评价一致性比较理想的指标[39]，对2组数据进行ICC一致性检验发现，O2max、VCO2max和VEmax3指标的ICC系数都大于0.75，一致性良好。由于Person相关和ICC检验应用会受到测量值范围的局限[39]，因此对于测量范围很小的RQmax、BFmax2指标分析的结果无法给出线性相关低和一致性差的结论；相反，基于2指标配对t检验结果（P>0.05，分别为0.630和0.145），可以认为此2指标数据具有较好的一致性。当然，上述指标如果能配合BlandAltman法分析，则一致性评价结论会更有说服力。基于2仪器对O2max、VCO2max和VEmax 3个指标测试具有较好的一致性和相关性，通过直线回归方程初步建立了2仪器测量数据的转换公式，为2仪器测量数据的转换提供了简便方法。直线回归方程分别为：O2max指标Y=0.932X+477.764；VCO2max指标Y=0.997X+468.576；VEmax指标Y=0.771X+37.83（Y为Vmax Spectra 229D测试值，X为MAXⅡ测试值）。

据笔者所知，MAXⅡ仪器的国内用户不少，包括各大体育学院、运动机构在内都拥有MAXⅡ仪器，不过，涉及该仪器使用的文献报道不多，期待未来针对该仪器的效度评价和应用研究能有更广泛的讨论和报道，包括针对MAXⅡ仪器使用时对运动表现的影响研究及面向竞技体育的高水平运动员的研究等。

4 结论

基于对体育院校大学生力竭性递跑台增负荷运动模式下的研究，本研究认为MAXⅡ仪器与Vmax SPectra 229D仪器测试的O2max/kg、VCO2max、VEmax和O2max心肺功能峰值指标存在显著性（或非常显著性）差异；MAXⅡ仪器测试会普遍引起受试者的一些不适体验，进而可能影响其大强度运动时的表现和相关分析结果；除O2max/kg指标外，其他心肺功能指标的测量数据相关性和一致性较好，通过公式转换可以为不同数据比较分析和实验室数据库提供支持：O2max指标Y=0.932X+477.764；VCO2max指标Y=0.997X+468.576；VEmax指标Y=0.771X+37.83（Y为Vmax Spectra 229D测试值，X为MAXⅡ测试值）。

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