肥胖儿童递增负荷运动中HRVT 与AT 的一致性研究

陈 浩 ，徐 菁 ，曾锦树 ，闫业磊 ，王乾伟 ，沈 歆 ，黄玉芬 ，徐 飞

（1.杭州师范大学 体育与健康学院，浙江 杭州 311121；2.杭州师范大学 钱江学院体育学院，浙江 杭州 311116；3.杭州师范大学健康管理学院，浙江 杭州 311121；4. 浙江大学 医学院附属儿童医院，浙江 杭州 310058）

全球超重与肥胖人数逐年攀升， 肥胖已成为儿童青少年的一个重要公共健康问题。 不同形式的运动训练对肥胖是有效的防治方法［1-3］。 高于通气补偿阈（Respiratory Compensation Threshold，RCT） 强度的运动可能会导致运动后的食欲降低［4］，而低于通气阈（Ventilatory Threshold， VT）强度的运动并不能最大程度地氧化脂肪［5］。 因此准确评估通气无氧阈（Ventilation Anaerobic Threshold， VAT） 强度对于制定个性化运动处方有重要意义。

通过评估心肺运动测试 （Cardiopulmonary Exercise Testing， CPET）中的气体交换和通气反应来确定VAT 是常用的方法，但这对仪器设备、安全支持设施和实验人员的专业素质等多方都有较高要求［6］，上述局限性影响了无氧阈强度指标在实践中的广泛应用。 基于此， 探索有效、 低成本的评价无氧阈（Anoxia Threshold AT）方法具有很高的应用价值。心率变异性（Heart Rate Variability， HRV） 是评价运动期间的心脏自主神经系统（副交感和交感神经调节）的无创、有效测试方式，其中副交感神经活性发生后撤（withdraw）的特定标记点被定义为心率变异阈（Heart Rate Variability Threshold， HRVT）［7］。

上述研究证据提示，HRV 可能能够便捷、 可靠地评价VAT 强度［6-8］。 最新研究也证实，超重和肥胖青少年的 HRVT与VT 强度高度相关［9］。 但早期研究发现，肥胖受试者表现为交感神经活性被过度激活［10］，而肥胖儿童可能会出现早期自主心功能障碍［11］。 这势必会影响HRV 评价肥胖儿童AT 强度的信度与研究结果应用的外部效度。 因此，本研究旨在通过研究线性（时域、频域）与非线性HRV 分析方法评价肥胖儿童VT 的信效度，为HRVT 评价AT 的应用实践提供证据与参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

招募封闭式运动减肥夏令营的肥胖儿童25 名 （11 名女孩，14 名男孩）， 受试者除参加校内规定的体育课外均无常规性体育锻炼。 年龄为 10～15 岁（12.3±1.6 岁），BMI 为 31.8±0.9 kg/m2。 肥胖判定根据为《中国儿童超重、肥胖筛查体质量指数值分类标准》。 受试者入营前均接受标准的体格检查并询问病史，确认无心肺系统疾病史后，正式实验前，受试者及其监护人均签订知情同意书。 最终23 名受试者（1 女、1 男退出实验）的数据纳入统计分析。

1.2 研究设计与测试指标

1.2.1 实验设计

受试者完成形态学测量后， 在功率自行车 （Powermax-VⅡ，日本）完成逐级递增负荷测试，佩戴Hans Rudolph 三通呼吸面罩，采用气体代谢分析仪（Max II， AEI， 美国）测试气体交换和通气反应，确定VAT。 同时连续记录HR 和RR 间（RR interval， RRi）数据（Polar V800， 芬兰）［12］。 用 Kubios HRV Premium 3.4.0 分析数据，采用线性（时域、频域）与非线性方法分析 HRV，采用目测法和 Dmax 法确定 HRVT［13］。 比较 VAT与HRVT 对应心率（HR）和功率（WP）指标的一致性。

递增负荷测试： 受试者在功率自行车上佩戴相关测试仪器并采用Ramp 逐级递增蹬车方案， 初始负荷分别为男孩15 W、女孩 10 W，踏频 70 转/分（r/min），每级负荷持续 2 min，直至力竭。 同期记录HR、 运动心电图和自感疲劳量表（Rated Perceived Exertion，RPE）。 当呼吸商（Respiratory Quotient，RQ）达到 1 时，持续 1 min 以获得更稳定的 RRi 数据。据 Loftin 等［14］采用的肥胖儿童心肺功能测试标准， 满足以下任意3 个条件即判定为力竭， 即刻终止运动测试：1）HR 达≥85% HRmax（HRmax=220－年龄）；2）RQ ≥ 1.10；3） RPE ＞ 17；4）在既定负荷下不能保持坐姿蹬车姿势或不能维持70 r/min 踏频， 或伴有不良主诉。

1.2.2 测试指标

形态学测量：着单衣，赤足空腹测量身高和体重（BSM 370身高体重测试仪， 韩国）， 并用卷尺测量腰围、 臀围， 计算BMI、BMI z 评分和腰臀比（Waist Hip Ratio， WHR）。 形态学指标精确到小数点后1 位。

通气无氧阈（VAT）测量：据 Gaskill 等［15］提出的组合方法，即通气当量 （Ventilatory Qquivalent， VEQ）、 过量二氧化碳（Excess Carbon Dioxide，ExCO2）、V-斜率法 （Modified V-slope Method，V-slope）测定 VT 和 RCT。 用气体代谢分析仪测定每分通气量（VE）、摄氧量（VO2）、CO2排除量（VCO2）每 10s 一次。VT 对应于VE/VO2曲线的首次非线性增加，且VE/VCO2曲线没有增加。 RCT 对应于VE/VCO2中的首次非线性增加，并与VE/VO2的第二次增加相吻合。 确定VT 和RCT 强度对应的心率（HR1和 HR2）和功率（WP1和 WP2）。

心率变异阈 （HRVT） 测量：Polar V800 心率腕表与 Polar H10 心率带配对，置于受试者心尖齐平位置（双乳下1～2 cm）。以 1 000 Hz 频率记录 RRi 数据［12］。 在目视检查方法中，HRVT被认为是递增负荷测试中RRi 数据无持续下降的稳定点。 由2 名训练有素的实验员独立评估HRV 的稳定点，当判断结果有分歧时，由另一位研究员参与讨论决定。 线性分析方法：1）时域分析。每个阶段最后60 s 的数据分析rMSSD。在连续两个阶段间rMSSD 未出现明显下降的相对稳定点被界定为HRVTT［13］。 2）频域分析。 为更准确地评估高呼吸频率下获得的RRi 数据［8］，高频段（HF）从 0.15 Hz 延长至 1.8 Hz。 采用三阶方程（fHFm）建模，计算高频功率（fHFm·HFp）。 后通过对数变换 Ln（fHFm·HFp） 提高对瞬时变化的敏感性。 HRVTS1对应 Ln （fHFm·HFp）达到最低稳定点，而 HRVTS2对应 Ln（fHFm·HFp）最后一次显著增长稳定点［16］。 非线性分析方法：趋势波动分析法（detrended fluctuation analysis， DFA）对每个阶段最后 30s 的 RRi数据进行非线性分析。 根据RRi 点阵数据绘制庞加莱图形（Poincaré plot）［17］。 SD1 稳定点（HRVTSD1）对应出现时与前后时段数据相比没有发生突增/突减变化［9］。记录不同HRV 分析方法确定的阈值时（HRVTT、HRVTS1、HRVTS2和 HRVTSD1）对应心率 （HRT、HRS1、HRS2和 HRSD1） 与 功 率 （WPT、WPS1、WPS2和WPSD1）。

1.3 统计学分析

数据以均值±标准差（M±SD）表示，用 Stata 16 MP 分析。由K-S 检验正态分布。 采用Pearson 相关分析计算各指标的相关性，r 值范围 0.31～0.50、0.51～0.70、0.71～0.90、0.91～0.99 分别对应相关性中等、高、非常高和接近完美［18-19］。 用 Bland-Altman 法进行一致性分析，计算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 倍标准差（1.96×SD），绘制 Bland-Altman 图。显著性差异临界值置为 α＝0.05（p＜0.05）。

2 结果

2.1 肥胖儿童递增负荷运动中HRVT 与VAT 的相关性

受试者共计25 人，其中1 女、1 男中途退出，最终23 人进入结果分析。 VT 与 HRVTT、HRVTS1、HRVTSD1，RCT 与 HRVTS2强度时 HR 与 WP 指标均显著相关（r=0.60～0.89），其中 VT 与HRVTS1，RCT 与HRVTS2强度在各指标相关系数均呈非常高的相关性（r=0.84，0.89，见表 1）。

2.2 HRVT 与VAT 强度的指标的一致性

采用Bland-Altman 法检验HRVT 与VAT 测试结果一致性。 其中 VT 与 HRVTS1的 HR1vs HRS1、WP1vs WPS1Bland-Altman 图 （图 1 B， F）的均值偏差为（1.64 和 1.12），和 RCT与 HRVTS2的 HR2vs HRS2、WP2vs WPS2（图 1 D， H）的均值偏差（1.12 和 1.1），两者差别接近 0。 总体而言，HRVT 与 VAT 两种测试结果的95% LoA 置信区间较窄，均值偏差趋于零（图1）。

图1 阈值时心率与功率指标Bland-Altman 图

3 讨论

本研究旨在评估线性（时域、频域）和非线性HRV 分析能否准确估计肥胖儿童的VAT，检验HRVT 与VAT 值的相关性和一致性， 探索HRV 法评价AT 的可行性。 本研究观察到HRV 频域分析确认的稳定点HRVTS1和HRVTS2相对应运动强度与VT 和RCT 强度高度吻合。

已证实，HRV 能够用于分析与检测健康人群递增负荷运动时副交感神经活性［13，20］。 Karapetian 等［13］发现，副交感神经活性降低与LT 和VT 的迅速增加相对应。 但超重和肥胖儿童的相关研究较少，迄今仅两项有直接参考价值的研究：Shibata等［20］发现，肥胖女性 HRVT 与 VT 时的 HR 存在显著相关（r=0.74）；Vasconcellos［6］报告 HRV 时域分析确定的青少年 HRVT与VT 间高度相关（r=0.8～0.9）。本研究观察到时域分析确定的HRVTT和 VT 之间虽显著相关，但相关性并不高（HR：r＝0.62；WP：r＝0.63）。 这与 Quinart 等［9］在肥胖青少年中观察到的结果相似，笔者推测可能是肥胖因素的影响了时域分析的有效性。且HRV 非线性分析方法确定的HRVTSD1与VT 之间相关性，与时域分析相似， 而这还可能与非线性分析提供的信息仅限于庞加莱图的宽度和长度有关［21］。 换而言之，HRV 的非线性分析结果可能因为缺乏基础时间动态信息而降低评价VT 的准确性。 与此相反，HRV 频域分析结果已被证实可用于评价VT 和 RCT［8，22］，HF 功率和与 HF 相关的峰值频率随潮气量和瞬时呼吸频率变化而变化， 而不需要其他设备来测量呼吸频率［23］。 本研究中 HF 和 fHF（Ln（fHFm·HFp））在递增负荷运动中的成U 形波浪曲线，从开始下降到第一阈值（HRVTS1），此时副交感神经活性低， 呼吸频率相应增加。 后曲线从第二个阈值（HRVTS2）急剧增加，而该阈值可能受过度通气刺激对窦房结施加机械效应的影响［22］。 在本研究中 HRVTS1和 VT 之间以及HRVTS2和RCT 之间的WP 指标，观察到非常高的相关性（r＞0.81），这与 Cottin 等［8］在健康受试者中观察到的相关性结果较一致。 而HR 指标的相关性也接近Mourot 等［24］在心血管疾病患者中观察到的结果。 本研究观察到频域分析确定阈值时相关系数都优于时域和非线性分析的结果 （表1）。 这可能是Polar V800 测试HR 时的采样频率更高，所以本研究结果中通过HR 均值确定的频域分析指标所对应的时间分辨率更高，从而结果更接近阈值时HR 的真实值。

表1 干预前后阈值时心率与功率指标相关性

本研究 Bland-Altman 图结果显示，VT 与 HRVTS1和 RCT与 HRVTS2相应的 HR、WP 的一致性较高。 而 Mendia 等［25］在跑台上采用 3 min 逐级递增运动方案（男：10km/h，女：8km/h），基于 HF 确定的 HRVT 与 RCT 的，HR 指标高度相关，但一致性上存在较大差异（bias=-5.6 beats/min）。 可能主要是不同递增方案的影响所致， 因为不同的运动特征仍然在某种程度上可能影响 HRV 法推测 VAT 强度的有效性。 Cunha 等［7］的研究结果进一步佐证，跑步、步行和蹬车的每分递增负荷方案，不同方案中HRVT 与VT 均具有较高一致性，但蹬车（bias=2 beats/min） 的一致性的表现优于步行 （bias=4 beats/min） 和跑步（bias=3 beats/min）。 在蹬车递增负荷运动方案中，Quinart 等［9］为获得更为稳定的RRi，每级运动持续时间定为3 min，运动测试总间长约为30 min，这可能造成肌肉和（或）或心理方面的疲劳加剧，从而一定程度上致使结果的稳定性下降。 所以，本研究采用2 min 功率递增的测试方案， 受试者在20 min 内完成测试。 本研究采用的测试方案可能较好地控制了肌肉和心理疲劳对结果的影响， 但理论上而言也存在运动持续时间短、 受试者未能达到真实运动稳态而导致RRi 信号不够稳定的潜在缺陷。 因此将来的研究中，探索更优化的运动测试方案以提高HRVT 评价VAT 的效度将是同类研究的一个关键点。本研究的Bland-altmand 图结果显示，肥胖儿童VT 与HRVTS1和 RCT 与 HRVTS2的 HR，WP 指标的均值偏差接近 0 （图 1），与正常受试者HRVT 与VT 指标的Bland-altmand 图结果相近［7］。

综上，HRVT 很可能是推测肥胖儿童VAT 的有效替代新方法。 但实际应用中，要综合考虑HRV 的参数选择与分析方法、递增负荷方案等因素的限制，提高HRVT 预测VAT 的有效性。 使低成本和非侵入性工具能更广泛地用于肥胖儿童个性化运动处方的制定、强度的评价与监控方面。 但需注意一点的是， 本探索研究初步确认了肥胖儿童在急性递增负荷运动中心率变异阈值与无氧阈存在较好的一致性， 但目前的研究结果在肥胖儿童慢性运动适应后是否也具备相应的稳定性和准确性，仍需要进一步的研究加以确认。

4 结论

基于HRV 频域分析判定肥胖儿童的HRVT 与VAT 高度相关，有很好一致性。 考虑到在实践中的广泛应用前景，低成本和非侵入性的HRV 分析判定HRVT 可能是推测肥胖儿童AT 的有效替代新方法。将来HRVT 用于肥胖儿童个性化运动处方的强度制定与监控指标方面，有较好的应用前景。