上肢功率自行车单手亚极量测试对心肺功能的影响

朱文泉 田磊

摘  要：本文是分析在单手手摇车运动心肺实验中，单手亚极量测试能否对心肺能力进行预测。纳入24名受试者，均无规律上肢运动习惯、无长期固定有氧运动计划。分别用双手、惯用手和非惯用手完成3次亚极量手摇车心肺运动测试。心率通过十二导联心电图进行检测、气体分析每5s进行一次。选取3次实验分别达到无氧阈值、最大摄氧量及实验终止时刻的实验参数进行分析。无氧阈时刻，右手实验所得摄氧量与双手摄氧量间具有较高相关性（r=0.621，P<0.05），左手实验所得摄氧量与双手摄氧量间相關性没有统计学上的显著性（r=0.428，P>0.05）;最大摄氧量时刻，左、右实验所得摄氧量与双手摄氧量间均具有高度显著性相关性（左：r=0.801，P<0.01，右：r=0.782，P<0.01）;实验终止时刻，左、右实验所得摄氧量与双手摄氧量间均具有高度显著性相关性（左：r=0.785，P<0.01，右：r=0.823，P<0.01）。单手功率自行车测试可用于对心肺能力的检验且心肺运动测试的预测结果在不同性别之间可能存在差异性。

关键词：功率自行车  单手  亚极量  心肺功能

中图分类号：G872.3                                文献标识码：A                       文章编号：2095-2813（2019）10（b）-0030-04

在临床和科研中，现在出现了许多心肺运动实验的方法，如蹬阶测试、30次蹲起测试、6min步行测试等方式[1]，但在实际应用中，跑步机和功率自行车因其特异性和敏感性高、负荷能稳定且定量增加，被多数测试者接纳。但临床中在病人身上应用时，存在一部分病人下肢无法正常活动，无法进行跑步机和下肢功率自行车的测试。在这种情况下，评估时会选择上肢功率自行车来进行心肺运动测试。亦或是部分强调上肢力量的运动员，选用上肢的功能测试更能反映运动员的心肺能力。近些年JL Orr等人的研究[2]表明在评估心肺功能上，上肢功率自行车均有较高的信度和效度，能够预测个案的心肺能力。临床中偏瘫个案因其半侧躯干运动功能缺失，并伴随心肺功能下降，有进行心肺运动测试的需求，但无法使用双手做出交替性动作。因此在实际运用时，评估者会让偏瘫个案进行单手的上肢手摇自行车功率测试，Birkett[3]等通过实验也证实，单手上肢手摇自行车能够代替双手进行心肺能力的测试进行最大摄氧量的测试。

1  研究对象与方法

1.1 研究对象

通过量表筛选出自愿参与实验研究的在校大学生（19～23岁），性别不限;右惯用手者（因本实验受测者全为选取惯用手为右手者，后文为表述简洁均用“右手”代替“惯用手”，“左手”代替“非惯用手”）。

排除标准：（1）患有心脏病、高血压等心血管系统疾病;（2）患有哮喘等呼吸系统疾病者;（3）有长期运动习惯者;（4）近期各种原因引起的上肢疼痛;（5）近期有运动计划。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法

通过CNKI（中国知网）中国学术期刊全文数据库以“心肺运动实验、上肢功率自行车、单手亚极量”等为关键词查阅相关资料。

1.2.2 实验步骤

所有测试均通过上肢功率车MONARK-881E进行。该功率自行车被固定在桌上，受试者坐于手摇功率车前、紧靠椅背，飞轮轴心对应上臂屈曲90°、肘伸直时前臂中点处，保证每次测试受测者均处于该标准位。先后随机顺序进行3次测试，包括双手、惯用手、非惯用手亚极量手摇功率车测试，实验开始后，受测者在0W负荷下进行3min的热身，之后每3min增加5W负荷，直至出现实验终止指征。整个实验过程中，受测者被要求保持40r/min的转速，测试过程中测试者持续被言语鼓励直至实验终点。到达实验终点后，受测者进行3min的0W负荷下的放松，并继续进行呼吸、心率监测。测试进行中，提醒受试者正常用鼻呼吸。且实时监测各项心肺功能参数。每次测试必须在饭后至少2h才能进行[1]。

1.2.3 实验终止指征

实验终止指征定义为：（1）心率达到预计亚极量心率（最大心率×80%）;（2）受测者自觉疲劳（经言语鼓励后，30s内受测者转速无法达到40r/min）;（3）受测者在实验过程中出现胸痛、眩晕等不适症状或心电图出现心肌缺血症状（ST段抬高或降低≥3mm）、心脏传导阻滞症状、房颤等其他病理性异常变化。

1.2.4 注意事项

相邻两次测试间隔时间至少2d[1]，但不超过1周。且整个测试过程中受试者被嘱咐尽量维持正常饮食、正常活动，尽量不做锻炼性运动，每次实验前24h内禁止摄入咖啡因、酒精。

1.2.5 实验参数

第一次实验开始前，收录患者的基本信息、体重及上臂围，测量遵循邵象清[4]、席焕久和陈昭[5]规定的方法进行以及基线数据：心率、血压及气体分析，而后每次实验开始之前，受测者均需保持平静状态大于等于20min，并进行静息状态下生理参数采集，而后持续进行心电图及呼吸气体分析，气体分析在测试开始之后每5s进行一次，分析的参数包括：每min通气量（VE）、耗氧量（VO2）、呼出二氧化碳（VCO2）、呼吸熵（RER）、耗氧量比体重（VO2/kg）、耗氧量比心率（VO2/HR）。达到实验终止指征时，测试者立刻对受测者进行血压的测量。实验结束后，收录每位受测者的第一次基线生理参数数据，3次实验达到无氧阈值时刻、最高耗氧量时刻和终止时刻的生理参数数据。

本实验中收集的3个不同时刻的数据，用于应对临床工作中不同的需求。无氧阈值时刻反映了受试者有氧运动的最大限度，在此状态下进行有氧运动训练可获得最大效果。而在达到无氧阈值后的上肢无氧运动因其运动强度较低，心率与摄氧量均会随时间增加，但由于个体间心肺运动储备不同，通过整体趋势进行个体预测会存在偏移，因此心率于耗氧量之间的相关性不高，借此表示心肺运动能力会有一定的限制。

在实验终止时刻，受试者主观反映或是客观表现出无法继续实验的指征，此时可认定为实验达到亚极量运动，所获得的摄氧量和心率为亚极量运动下的心率。可以用于反映受试者的心肺功能;且根据相关文献[3、6]，可用于预测最大摄氧量。之前的众多实验大多收集这一时刻的相应数据。

最大摄氧量时刻，是整个实验中，测得的最大摄氧量的数值，这一数据直接表示了在亚极量运动中的摄氧量的最大值，反映心肺运动能力，但整个实验过程的不可控性，使得最大摄氧量这一数值可能是由受试者突然猛的吸气、呼气，咳嗽，躯干变化引起;故讨论中不参考此数值。

1.2.6 数据统计法

运用SPSS 17.0软件以及Excel完成数理统计分析工作。

2  实验结果

2.1 受测者信息

本次实验参与人数为24人，所有入选者中2人在第一次实验过程中未达到无氧阈值，1人在整个实验周期中有明显的体重变化，1人3次实验间的时间间隔过长。因此最终实验数据分析时共纳入20名受试者的数据，其中女生12人，男生8人，实验脱落率为16.7%。所有测试者年龄20～22岁，平均21.47;体重平均（60.50±11.31）kg，休息位血压（106.90/65.75）mmHg。3次实验的平均时长分别为：双手手摇车实验17.51min，右手手摇车实验9.04min，左手手摇车实验8.33min（见表1）。

2.2 双手与单手间相关性

对双手与单手间摄氧量的相关性进行分析（见表2），在无氧阈值时刻左手组和右手组摄氧量与双手实验组摄氧量间均有较高相关性，r=0.785，P<0.05;r=0.823，P<0.05。

实验中最大摄氧量时刻，双手与左手、双手与右手摄氧量的相关系数分别为r=0.776，r=0.674。在实验终止时刻，左右手摄氧量与双手摄氧量间均有较高相关r=0.754，P<0.05;r=0.649，P<0.05。图1、图2分别显示了所有受试者的单手和双手实验摄氧量的实验结果，在2个变量即单手与双手之间仍可以观察到较高相关性，两张图的线性回归方程分别如下所示。

本次实验中摄氧量经参数分析后，标准化处理前后摄氧量比体重和摄氧量的统计学分析结果一致。

3  讨论

3.1 单手亚极量功率自行车实验的可行性

在心肺运动实验中，单手功率自行车运动可以达到亚极量运动的标准，而要达到极量运动负荷的可行度是较低的。首先，相比下肢及躯干，上肢的肌肉群相对弱小，且在完成单手手摇车实验中，缺少另一侧肢体肌肉的使用，更降低了个体对摄氧量的需求;其次，单手实验受到肌耐力下降的影响较大，在相同负荷下能的极限。因此单手实验所获得的心率与摄氧量通常低于双手组实验数据，在实验中则更难以达到运动受试者更易表现出肌肉疲劳的情况。实验中达到终止的指征多是由于肌肉疲劳引起的，而非达到心肺功能的极限。因此单手实验所获得的心率与摄氧量通常低于双手组实验数据，在实验中则更难以达到运动的最大强度。通过亚极量运动来反映有氧运动能力的信效度，已经在众多文献中被证实。更进一步的研究证明，这种运动极量下的实验方式也适用与手摇车心肺运动实验[7]。

3.2 单手亚极量心肺运动测试对心肺运动能力的推测

若需要通过心肺运动实验来获得受测者心肺运动能力的极限，即最大心率和最大摄氧量，则需要进一步的更高强度的测试方法，或者通过对已有数据的分析，对极限运动下摄氧量等相应参数进行预测。在过往的研究中已经有众多通过亚极量的实验结果来预测极量运动后的相应数据的方法。主要的几个方法均是借由亚极量或更低强度下收集到的心率、摄氧量、输出功率等数据，通过回归方程来预测最大极量时刻的摄氧量。Kofsky等人[8]首次提出了用于推测手摇车运动最大摄氧量的公式。Hjeltnes等人在对脊髓损伤患者心肺功能的实验中，进一步证实了这种方法的应用[9]。并且这一策略在G. Pare的实验中进一步证明了其基础原理以及可行性，其回归方程的相关系数r=0.80[10]。上述的实验方法均是通过手摇车运动时的输出功率来进行相关性分析，以获得与实际最大摄氧量之间的回归方程。在以往手摇车运动实验的记录中均表明输出功率与摄氧量间，均有较高的相关系数r>0.9[11-13]这也证实了输出功率可作为一个可信度高的预测变量。WA Birkett的实验[3]通过心率—摄氧量间的线性回归的方程（VO2peak（litre/min） =0.011949（HRpeak）–0.56754;r=0.68），获得了最大摄氧量的预测值，且预测值与实际值无显著性差异。而作者指出，当数值VO2peak是从亚极量计算得出时，该预测值仅仅是个人的左、右上肢有氧能力的粗略估计，能否直接用于临床代表心肺运动能力还有待进一步的实验证实。由于在达到实际最大摄氧量的最后时段，摄氧量与心率并非为线性关系，因此心率-摄氧量线性回归曲线在预测功率自行车极量运动时最大摄氧量存在一定的误差。Davies和Sargent选择了亚极量运动的摄氧量这一更为直接的数据，并且得到了正向的结果[14]。这意味着，单纯的摄氧量在亚极量运动和极量运动间的联系，可以作为一更直接、简便的方法来预测最大摄氧量。

3.3 单手与双手实验间相关性分析

在双手手摇车实验与单手手摇车实验中摄氧量、摄氧量比体重均具有较高相关性r=0.785，r=0.823。略小于其他手摇车实验中输出功率与摄氧量的相关性r>0.80，但是与通过运动心率预测最大摄氧量的方法比较相关性更高。即时的输出功率直接反映单位时间内受试者做功的大小，在完成运动时约等于同一时间内自身有氧呼吸产生的能量。而在接近实验终点时刻，不可忽略同时存在的无氧呼吸共给的能量。因此，通过输出功率来反映摄氧量有一定的限制，尤其在大运动负荷的实验中。对于亚极量运动的摄氧量和心率这一类参数，都是受试者运动中直接获得的，数据收集中不存在客观条件导致的误差，可以直观地反映受试者的能力。相较于心率，亚极量摄氧量与最大摄氧量间是相同性質的参数，数据收集不易受到实验模式、负荷强度的影响。在不同个体中，心功能与肺功能的储备不同，运动状态下尤其是亚极量运动状态下心率的增幅与通气量的增幅不一致。这使得在亚极量运动甚至更低强度下的运动摄氧量与心率间相关性不高，低于摄氧量间的比较。

4  結论

（1）单手功率自行车与双手功率自行车相同，均可引起受测者心肺系统生理学变化，可用于对心肺运动实验。

（2）两单手功率自行车运动实验均可借由实验终止时刻最大耗氧量推测双手功率自行车运动实验实验终止时刻最大耗氧量，且具备预测个体心肺功能的可能。

参考文献

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[10]Pare G，Noreau L，Simard C. Prediction of maximal aerobic power from a sub maximal exercise test performed by paraplegics on a wheelchair ergometer[J]. Paraplegia，1993，31（9）：584-592.

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