持续12周运动减重方案对青年男性肥胖者心肺机能影响的研究

郭 振，谭思洁

肥胖与心肺耐力（CRF）是全因死亡率的独立预测因子[1‐2]，在世界范围内，降低肥胖发生率一直是被广泛关注的热点，肥胖患病率快速增长的态势已经成为严重危害健康的公共卫生问题[3]。肥胖与CRF之间存在显著的负相关性[4]。体脂肪的增加特别是内脏脂肪会导致血管内皮功能降低，可引发血管扩张能力降低、全身性炎症，使人体心肺机能持续下降[5‐6]。近期新冠肺炎的流行爆发，使人们再次关注到CRF对抵抗疾病、保持身体健康的重要意义；还有报道证实罹患新冠肺炎的肥胖者，相对容易进展成重症和危重症[7]；肥胖亦是新冠肺炎患者需要接受重症监护的危险因素之一[8]。从生理学角度分析，肥胖者多存在身体形态功能方面的不良改变，如胸腔容积缩小、膈肌运动受限、肺部脂肪沉积、肺泡数目减少使供氧效果降低，而肺组织弹性下降等导致的肺部通气障碍，使排痰功能下降等[5]，成为肥胖人群感染新型冠状病毒后更容易出现肺功能衰竭发展成危重患者的原因。可见降低肥胖率提升心肺机能水平在全球都是非常重要的健康学和社会学问题，尽管目前国内外学者报道了不同运动干预方式在减轻体重、降低体脂率上的很多研究成果[9‐10]，但据最新的全国体质健康调研显示，我国青年人群超重和肥胖比例仍不容乐观[3、11]。

有研究指出体重和体脂率超标是能量摄入过剩和体力活动不足导致的[12‐13]，而由此带来的体质状况不佳亦是运动不足所致[14]。理论上能量的负平衡是运动减重的生理学机制[5]；一直以来，中等强度的有氧运动被广泛地应用在减重运动处方中，但从实际效果看，常常因没有选择适宜的负荷强度导致减重干预效果不佳[3]；有专家提示[15‐16]：运动干预处方效果的保证来自于“精准测量、精准分析和精准干预”，运动降低多种疾病的罹患风险，其与健康的量效关系已被确认[14]。运动方案的设计应更充分地考虑个体间差异，在运动减重中运动强度的精准设计与控制尤为重要。之前A.E.JEUKENDRUP与J.ACHTEN[17]创立的个体最大脂肪氧化强度（maximal fat oxidation，FATmax）的方法，已被认为是靶向性更强的运动减重强度设计模式，得到多位学者研究成果的证实[18‐19]。除运动强度以外，运动总量与运动能量消耗同样是运动处方设计和评价运动效果的要素。在以往的运动处方研究中人们主要注重干预效果分析，较少涉及运动手段本身能量消耗效率的定量评估，这在精准化运动处方设计中是一种缺失，运动手段能耗效率测定显然是运动干预能否达到预期效果的依据。人们经常使用MET（Metabolic Equivalent of Energy）来计算能耗[15]，MET值源于对运动强度和能耗的综合估算，可将不同运动方式依照体力活动强度进行归类、重新组合，应用于更多的运动实践中。

本研究组在前期对FATmax运动强度的测量与控制进行了较多的研究[18‐19]，发现个体达到最大脂肪氧化率（FATmax‐MFO）的运动强度受很多因素影响，包括测试者年龄、性别、饮食习惯、心肺机能水平、运动训练史等，这与国内外其他研究学者的报道相同[20]，更有资料显示，FATmax‐MFO与CRF的独立关联性更强[21]，适宜强度的运动可以在有效减脂的同时提升心肺耐力，那么随着运动带来的CRF提高，FATmax‐MFO出现的运动强度也会发生变化，但变化的程度及是否存在规律目前乏见报道。青年人群对运动刺激的适应能力强，运动干预效果较其他年龄人群更为显著[14]，可以推测在减重干预中随着运动行程的进行，FATmax‐MFO可能会发生较大变化，这提示为保证运动处方的干预效果，需要对设定的有效目标强度进行校准与调整。本文依FATmax理论通过实验室标准流程测量个体FATmax和主要运动手段能量代谢率的测定，建立精准运动减重干预处方，再通过干预阶段FATmax的追踪测定，深入探讨肥胖男青年运动减重干预FATmax变化及与心肺功能的关联，为青年人群运动减重干预以及心肺功能改善和健身方法提供循证依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象及分组

本研究受试者为肥胖青年男性120名，年龄18～22岁，依照WHO规定[22]，男性体脂率（BF%）≥25%判定为肥胖；受试者被随机均等分为运动干预组（实验组）和对照组。

受试者身体基本健康；无心血管疾病、肺功能障碍、高血压、心脏病等疾病，无运动禁忌症。实验前受试者均了解整个实验过程的风险性，自愿签署知情同意书，本实验通过天津体育学院医学伦理委员会批准。

1.2 观察指标

本实验对所有受试者进行基线测试，并且在12周运动干预后全部接受相同的效果评估测试。主要测试指标：（1）国民体质监测方法测量，包括身高、体重、腰围、臀围，肺活量，计算BMⅠ、腰臀比。（2）身体成分测定，使用Ⅰnbody520身体成分测试仪（韩国）测定体脂率（%）、全身脂肪重量、瘦体质；使用OMRON‐HDS‐2000（日本）内脏脂肪测量仪腹部脂肪及内脏脂肪重量。

1.3 心肺功能测试

最大摄氧量测试[23]。受试者佩戴呼吸面罩在德国Jaeger‐Laufergotest运动跑台及气体代谢装置上进行递增负荷实验。受试者先在运动跑台上进行适当速度的3 min热身跑，而后采用起始速度为8 km/h的速度，坡度设定1%（模仿空气阻力）进入正式测试流程，每过2 min增加0.8 km/h的速度，直至达到最大摄氧量（呼吸商≥1.15）。测试过程中用12导联遥测心电仪和动态血压计进行全程监测，同时每15 s记录呼吸交换率，心率，摄氧量等指标，每60 s记录主观运动感觉（RPE）。

心血管机能测定。使用OMRON‐HEM‐9000AⅠ（日本）中心动脉压检测仪测定外周血压及反射增压指数。

心功能指数测定。采用30 s内30次蹲起测得心功指数，按照以下公式[14]计算心功指数。

心功指数=[（P1+P2+P3）‐200]/10

1.4 FATmax测定

受试者在与最大摄氧量间隔不少于48 h后进行FATmax测定，使用仪器包括h/p/cosmos Pulsar4.0功率跑台、Cortex MetaLyzer 3B气体分析仪、Cosmed运动心肺功能测试系统、Tango运动血压计、PE‐4000遥测心率表。

测试方法[17]：在充分地准备活动后，在运动跑台以速度3.5 km/h，坡度1%开始递增负荷实验，每3 min速度递增1 km/h直至速度7.5 km/h后保持不变；此后每3 min递增2%坡度直至速度呼吸商达到1；最后阶段坡度不变，速度每分钟增加1 km/h直至最大摄氧量评定标准，测得VO2max。递增负荷试验过程中记录每15 s的VO2、CO2，每1 min询问一次主观感觉（RPE）。

依J.ACHTEN的FATmaxrate判定公式1.67×VO2‐1.67×VCO2[17]，将每级负荷下测得VO2和VCO2带入公式计算氧化的脂肪量，最大值为所对应的摄氧量、心率即为理论上最大脂肪氧化运动强度。

追踪FATmax测试：在为期12周的个性化精准减脂运动方案执行过程中，每干预4个自然周在相同实验设备下按照标准流程重复测定FATmax。并根据测定结果重新校准运动强度。

1.5 主要运动手段运动能量代谢率测定

实施运动干预前，使用METAMAXⅡ便携式气体分析仪、PE‐4000遥测心率表，依常规开放式能量代谢测定方法进行测试计算本处方中所有运动手段的运动能量代谢率[5]。

1.6 减重运动方案制定

运动强度及次数。本处方是根据受试者FATmax测试结果确定运动强度，运动心率保持在个体HR（FATmax‐MFO）±10次/min，运动时间设计为60 min。每周5次（集中锻炼2次，自助结组训练3次，共计5次）持续12周。

运动方式。（1）准备活动：慢跑或游戏，伸展上肢，躯干，压腿，活动踝关节。（2）基本部分：FATmax强度持续慢跑2 400 m；爬行40 m+行进间扭转走返回，3组，组间休息2 min；跨步跳+弓箭步走，40 m×2组，组间休息1 min；FATmax强度持续慢跑1 600 m。（3）放松部分：韵律操5 min。

1.7 运动干预

所有受试者在完成基线测试后，实验组受试者执行为期12周、5次/周，每次1 h的运动干预处方，对照组继续维持原有的生活方式。

实验控制。（1）运动处方执行过程中使用POLAR Team Pro（芬兰）监控全程心率，心率控制设置为对应运动干预阶段的个体HR（FATmax‐MFO），当心率超出设定的±10次/min时自动发出提示音。每次锻炼前、中、后询问和记录受试者RPE，发现身体不适，及时叫停或调整训练方案。（2）在实验期间未对受试者进行膳食控制，以验证本处方对减重的单一作用，在实验后进行健康膳食教育。

1.8 数据处理

受试者完成运动干预前后同指标的测试，实验数据通过SPSS 22.0 for Windows软件进行统计处理，结果以（M±S D）表示，组内运动干预前后比较采用配对T检验，组间比较采用T检验，显著性水平取P＜0.05。

2 研究结果

2.1 肥胖男青年个性化精准减重运动方案各阶段FATmax测试结果

本研究的受试者全部顺利完成了运动方案各阶段递增负荷实验（见表1、图1）。

表1 运动方案各阶段递增负荷实验测试结果（M±SD）Table1 ExperimentalTest Results of IncrementalLoad in Each Stage of the Exercise Scheme（M±SD）

图1 实验组肥胖男青年最大脂肪氧化强度变化曲线Figure1 Variation Curve Fat Oxidation Obese Young Men

2.2 运动干预手段能量代谢率测试结果

肥胖男青年个性化精准运动减重处方主要运动手段运动时的能量代谢率如表2所示。

表2 实验组能量代谢测定结果（M±SD）Table2 Resultsof Energy Metabolismin ExperimentalGroup（M±SD）

2.3 肥胖男青年运动干预前后身体成分的变化

执行本运动处方12周后，实验组内脏脂肪重量有显著改善（P<0.05），BMⅠ、全身脂肪重量、体脂%、腰臀比、腹部脂肪重量非常显著下降（P<0.01），对照组则无明显变化（见表3）。

表3 肥胖男青年形态指标结果（M±SD）Table3 Results of MorphologicalIndicators of Obesity Young Men（M±SD）

2.4 肥胖男青年运动干预前后心肺机能的变化

执行本运动方案12周后，实验组收缩压、舒张压都有显著改善（P<0.05），VO2max、动脉波增强指数（AⅠ）、心功指数非常显著地提升（P<0.01），对照组则无明显变化（见表4）。

表4 肥胖男青年心肺机能指标结果（M±SD）Table4 Results of Cardiopulmonary Bypass（M±SD）

2.5 肥胖男青年运动干预前后身体素质的变化

干预前后，受试者体质指标变化如下，实验组受试者背力、肺活量体重指数存在显著性变化（P<0.05）；其中肺活量体重指数变化有极显著性（P<0.01）；并且同对照相比肺活量体重指数有显著性（P<0.05）（见表5）。

表5 肥胖男青年素质指标结果（M±SD）Table5 Results of Quality Indicators of Obesity Young Men（M±SD）

3 分析与讨论

3.1 减重运动干预强度进阶的设计与应用

运动处方（Exercise Prescription）是依据需求者的体质状况，以精准设计的运动强度、方式、总运动量以及运动进阶等形成的精准运动指导方案[24]；其中，精准的设计运动强度是影响运动干预有效性的核心要素[14]，已有研究证实，强度较低的运动身体主要消耗脂肪，随运动强度逐步增加脂肪消耗可能更大，但至比较剧烈的运动时，能量消耗中葡萄糖比例会增加，直到几乎完全成为供能的来源[4]。于是JEUKEND‐RUP与ACHTEN等[17]创造了测定最大脂肪氧化强度的方法，但这一高效减脂的运动强度被许多研究者发现在不同人群运动时脂肪代谢峰值强度点并不相同[25]，存在较大的个体差异。如S.HAUFE等[26]用功率自行车测得的成年肥胖男子FATmax为（42±2.2）%VO2max，亦有人提出超重/肥胖青年男性的FATmax在38%～53%VO2max范围间[27]，这些研究结果之间以及与本研究测得结果相比较，运动强度耗氧量区域存在一定的差异，FATmax测试方案以及受试者具体年龄的不同可能是造成这种差异的主要原因[25]。综合衡量下本研究在运动跑台上以恒定坡度1%模拟室外运动的空气阻力进行走跑递增负荷实验测得的FATmax强度[19]，显然更具备现实指导意义。此外，研究还证实规律的运动干预处方实施1～2周后人体开始出现身体机能上的改善，此后运动负荷保持不变虽然仍能达到改善效果，但运动效益会减弱[28]。

随着运动处方研究的不断深入，其核心要素已在原来基础上增加了“进阶”和“运动总量”（Frequency、Ⅰntensity、Time、Type、Volume、Progression）[24]。由于运动量、强度、持续时间、频率以及个体对运动的适应性具备交互作用[14]，运动进阶可通过处方中运动能耗变化呈现[29]；在以有氧运动为主要手段的运动处方设计中，亦可通过运动强度与时间的递增逐渐增加能量消耗直至达到干预目标。这可以在保证运动干预效果前提下，显著增加受试者依从性[28]。亦有研究指出，从运动干预实效性角度分析，量效关系的主要影响因素是单位时间的能耗量而非运动的持续时间[30]。这些均提示在运动处方设计时应考虑在整个干预流程中进行运动强度进阶的划分；本研究把为期12周的运动干预方案划分成3个干预阶段，每4周递增1次运动强度，每个干预阶段开始前在相同实验设备下重复一次运动跑台递增负荷试验，精准确定每名受试者的FATmax强度。表1可见，本研究测得的3个阶段FAT‐max‐MFO所 对 应 的 心 率 分 别 为（133.23±16.86）、（137.01±15.71）、（141.12±17.48）次/min，耗氧量占最大 摄 氧 量 分 别 为（48.66±7.64）%、（50.37±8.18）%、（53.21±8.23）%；呈显著递增趋势，按照ACSM推荐的体力活动强度分级是[14]：<3Mets为低体力活动水平，3～6Mets中等强度体力活动水平，>6Mets高强度体力活动水平这已成为实现不同运动目标的运动处方在强度选择上的依据，本研究的FATmax强度为（6.02±1.37）、（6.45±1.22）、（6.96±1.38）Mets，处在高强度体力活动水平范围。运动干预试验过程中，每个阶段前两次集中锻炼时受试者主诉比较吃力（RPE＞14），随着干预次数增加受试者可以相对轻松地完成单次训练任务，这表明本研究设计的运动处方强度进阶对肥胖男青年较为适合。运动进阶的精准设计有利于提高运动干预效果[16]，同时可以降低因运动强度使用不当产生的机体过度疲劳与运动损伤风险[14]。

3.2 运动减重方案手段与能耗设计

肥胖的青年人群由于体力活动不足，静坐时间过长等不良生活习惯导致能量代谢失衡[3、14、22]，补充足够的运动消耗达到能量代谢的负平衡是改善肥胖的重要手段。影响运动过程中脂肪及碳水化合物动员供能的因素与参与运动的肌肉数量有重要关系，中等强度的走跑因其全身性肌肉动员、热能消耗增加稳步、运动风险及运动成本低等诸多优势而被广泛应用[14]；抗阻运动使去脂体重增加可提高基础代谢率、改善脂肪代谢速率，在获得减少体脂肪效果的同时可带来大量的健康益处[31]。本研究中的受试者WHR均大于0.9（见表3），身体维度可界定为中心性肥胖人群。受试者内脏脂肪含量约占腹部脂肪含量的40%（见表3）。过量的内脏脂肪相较于皮下脂肪更容易引发机体生长分化因子失衡，胰岛素抵抗及炎症应激反应等[24]，甚至诱发代谢性疾病、高血压、高血脂、脂肪肝和冠心病等慢性疾病[32]。本研究以FATmax运动强度跑为主要手段，中间穿插了与自身抗阻结合的全身性有氧运动，如：爬行、行进间扭转走、跨步跳、弓箭步走等，旨在以降低腹部脂肪，改善内脏脂肪比例为重要目标，最终达到减少全身脂肪含量，减轻体重的目的。

一项关于运动处方干预效果的纵向对比性研究证实，运动总量可能比运动处方的其他要素对人体健康获益有更重要的支持作用[33]。以往在运动处方研究中主要注重干预效果观察分析，较少涉及运动处方本身能量消耗的总量，而从运动干预效果的实际出发，实际能量消耗的研究和设计可提高运动处方制定的精准程度。一般认为，在不减重的前提下青年人可能缺失的能量消耗约为300 kcal左右[14]，因此在运动减重方案中，运动增加的能量消耗应高于300 kcal这一数值；在本研究的运动方案设计中，我们采用METAMAXⅡ便携式气体代谢分析仪，依常规开放式能量代谢测定法测定了运动干预手段的能量消耗率[5]，以此为依据在方案的起始阶段总能量消耗约为400 kcal，每周运动累积量达到2 000 kcal以上；在后两个阶段中能耗总量递增10%左右，各阶段的Mets值均达到中、高强度的体力活动水平，这符合肥胖人群体力活动不足主要是中等强度以上的运动缺失[14]。在12周干预后，本研究的实验组受试者腹部脂肪、内脏脂肪和腰臀比显著下降（见表3），体脂从（29.74±6.43）%降低至（24.22±7.16）%（P＜0.01）；说明本研究制定的运动干预方案对青年男性中心性肥胖改善有积极的作用；在身体形态改变上亦有良好效果，能满足青年人对身体形态美观的诉求，进而提高受试者自信心及生活质量，这是本方案实施中受试者依从性良好的原因之一。

本运动方案总消耗能够达到目标干预效果[16]，同时为运动减肥提供能耗量化的科学依据。比如，将本研究中测得的运动手段能量代谢率可以依照体力活动强度分级标准[14，16]进行归类、任意组合应用于更多的运动干预处方中。

3.3 运动减重干预对心肺机能改善的效果机制

肥胖对人的心肺功能有严重的负向影响，肥胖人群血清中同型半胱氨酸的水平与正常体重人群相比偏高[34]，特别是内脏脂肪的增加会使血管内皮功能降低[35]，这将更容易导致多种心脑血管疾病发生。还有大量研究证实，身体中心区域脂肪的囤积会压迫腹腔空间，从而使膈肌上升降低呼吸的深度，影响人的心肺功能[5]，CRF的持续下降对人类生命质量有重要影响[1‐2]。本研究通过干预后肥胖青年男性FATmax变化探讨运动减重与心肺功能之间的关联，证实随体重和体脂率的降低他们的FATmax‐MFO出现右移（见图1），同步测得的耗氧量占最大摄氧量之百分比值均呈显著递增（见表1，P<0.05），说明有氧能力和心肺机能显著改善[2、5]；有研究证实，在相同年龄性别条件下，有训练者的FATmax和临界强度显著高于无训练者[25]，那么运动减轻脂肪进而改善心肺功能可能的机制是，运动增加了受试者血液中游离脂肪酸（FFA）的数量，使脂肪得到充分氧化，血流通畅度增加，血管中堆积的脂肪得到分解，更好的满足了组织对氧气的需求，其引发的关联效果如调动和提高血液循环系统之间的协调配合能力等，达到了改善心肺机能的作用[5]。还有关于运动提升心肺功能的生化机制的研究中确认，长期有氧训练可使脂肪氧化酶活性增强、骨骼肌脂滴包被蛋白（Perilipin）、激素敏感性脂肪酶（HSL）、脂肪甘油三酯酶（ATGL）水平上调[36]，并相继在其他学者的报道中证实[37]。这一系列的综合机制使FAT‐MFO随着运动干预的实施向右迁移，实现了心肺功能的改善。

本研究受试者执行的运动减重方案，是按照不同运动进阶实测的FATmax强度分级不断增加负荷的运动方式，这更有利于促使心脏供血功能和肺功能发生良性改变；此外，进阶性的FATmax强度和自身抗阻相结合的运动方案可能有效的提高了受试者呼吸肌力量及肺部弹性，这使肺换气时呼吸膜两侧的氧压差加大，呼吸深度加快了氧的扩散速度，表4显示，受试者在干预后，每搏输出量显著提升，最大摄氧量水平由（43.34±3.81）mL/min/kg提高到（46.91±3.65）mL/min/kg（P＜0.01），证实肥胖男青年的心肺机能得到非常明显的改善。在本方案的实验中，随着运动干预的进程受试者脂肪率下降而FATmax‐MFO出现递增性右移，FATmax‐MFO时的摄氧量向更高的最大摄氧量占比移动说明脂肪代谢能力与心肺机能水平存在平行正向关联。在本方案的实验研究中，随着运动干预的进程，受试者脂肪率下降而FATmax‐MFO递增性右移，FATmax‐MFO时的摄氧量向更高的最大摄氧量占比移动，说明脂肪代谢能力与心肺机能水平存在平行正向关联。本研究的局限在于未及进行两者间更长时间动态关联及脂代谢生化变化的研究，有待后续。

4 结论

（1）本研究首次依运动进阶，分期跟踪测定青年男性肥胖者FATmax‐MFO，为后续相关研究提供实证参考。具此进行12周运动强度进阶的精准减重干预使青年男性肥胖者FATmax‐MFO与体脂率和腹部脂肪的减少同步发生明显右移，各级摄氧量向更高的最大摄氧 量 占 比 移 动（48.66±7.64）%、（50.37±8.18）%、（53.21±8.23）%，提示肥胖者脂肪代谢能力与心肺机能水平存在平行正向关联，本干预方案在有效减重的同时可以明显改善心肺机能。

（2）本方案总能量消耗为400～500 kcal/天（每4周递增10%），青年男性肥胖者体脂率从（29.74±6.43）%显著降低至（24.22±7.16）%（P＜0.01），腹部脂肪从（157.63±37.49）cm2显著降低至（139.45±36.73）cm2，证实运动能耗进阶减重干预可以获得理想的减重效果。

（3）本研究获得的青年男性肥胖者FATmax心率分 别 为（133.23±16.86）、（137.01±15.71）、（141.12±17.48）次/min，跑步速度为（7.91±1.17）、（8.04±1.49）、（8.24±1.61）km/h可供相关人群运动减重和提升心肺机能参考。

5 建 议

本研究提示为保证运动安全与干预效果，运动处方应在准确测量受试者身体状态下精准设计；同时更应注重对各运动干预手段能耗与强度的分析，运动干预前充分的理论分析是运动干预效果的重要保证。此外，人体对规律运动具备适应性，运动处方的强度进阶设计可能更有利于运动效果的提升，建议根据运动特点分期对运动干预强度进行准确的校准测量。