非运动测试法对男性大学生心肺耐力的评价有效性研究

冯宇超，曾锦树，徐 菁，陈 浩，陈佳豪，陈竹鹰，徐 飞

（杭州师范大学 体育与健康学院，浙江 杭州311121）

在大学生体质健康逐年下滑的背景下，教育部印发《国家学生体质健康标准》，以建立健全国家学生体质健康监测评价机制，激励学生积极参加身体锻炼并促进体质健康发展［1］。 同时，用科学性好、可操作性强的方法评价健康体适能有关的心肺耐力［2］、肌肉力量［3］、肌 肉 耐力［3-4］、身体成 分 以 及柔韧性 等重要组成部分的基本状况就非常重要。 其中，心肺耐力作为体质健康的核心指标，受到重点关注［5-6］。 心肺耐力是不同人群体力活动水平的一个客观生理指标， 与各人群全死因死亡率及心血管疾病死亡率高度相关［6］。 此外，心肺耐力不仅是与健康相关的重要身体适能，同时也用于判断人的体质状况［7］。

心肺耐力（cardiorespiratory fitness，CRF）涉及心血管和肺（呼吸）两个系统，不仅反映心血管和呼吸系统整体能力，而且与骨骼肌功能密切相关［5-6］。 美国运动医学会（ACSM）和美国心脏病协会（AHA）联合声明指出，提高心肺耐力能够增加健康收益并降低全因死亡率［8］。 同时，认定最大摄氧量（maximal oxygen uptake，O2max）为评价心肺耐力的金标准［9］。 目前，公认佩戴呼吸面罩的递增负荷测试法 （直接测试法） 是评价O2max 的金标准［10］，但该方法对仪器和测试人员专业知识的要求都较高，而且无法对大样本人群开展便捷性测试，从应用角度来说，O2max 直接测试法不适合用于大众普及和大面积推广［11］。 所以，运动场地测试法逐渐应用于大众人群心肺耐力的评价与反馈，其科学性和良好的应用性也被广泛证实［12-15］：20m 往返跑（20-m shuttle-run test，20MST）和库珀 12 分钟跑（Cooper 12-minute run test，CR12min） 预测O2max 与直接测试法的结果高度相关（r＞0.85）［12，15］，而且具有高信效度［13-14］。 与直接测试法相似的是， 上述两种场地测试法属于极量或亚极量负荷测试，要求受试者达到或者接近力竭状态，对体能、意志力和配合程度都有很高要求。 一些特殊人群（肥胖人群、慢性病患者和老年人等）很难完成上述测试，所以非运动测试法（non-exercise test）预测O2max 愈发受到重视，相比之下，非运动测试法具备简便易操作，无需完成极量/亚极量强度运动等优点，其中体力活动问卷法（physical activity rating，PA-R）和心率预测法（heart rate，HR）已经应用于大样本人群的有氧能力评价，也有较高信效度（基于不同人群的预测效力为R2=0.50～0.86，SEE=2.98～6.90ml/kg/min）［8，16-17］。

但Kolkhorst 等在体力活动水平较高的美国大学生群体中发现，非运动测试法会严重低估大学生的心肺耐力水平［18］。目前，非运动测试法在细分人群中的应用性科学证据较少，与场地测试法评价心肺耐力的一致性和误差区间并不明确，这是限制非运动测试法的推广普及和应用的重要因素［8，18］。 所以，如果能够明确非运动测试法与场地测试法在预测心肺耐力方面的一致性和误差区间， 对该方法应用于学生体质健康评价与大众人群锻炼等方面均有重要意义。 因此，本研究探索和验证非运动测试法评价大学生群体心肺耐力的科学性和有效性，并验证该方法与运动场地测试法结果的一致性。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

对某大学在校大学生发放体力活动问卷（PA-R），初步筛查受试者， 要求受试者有基本的锻炼习惯， 但未受过专业训练，健康状况良好，无心血管疾病。 PA-R 问卷简便易测，已证实有可接受的信效度并在全球广泛应用［16-17］。 共招募到自愿参与且符合研究基本要求的32 名男性大学生，基本情况：PAR 得分 5.5±1.4 分， 年龄：20.0±1.1 岁， 身高：180.2±4.8cm，体重：72.3±7.6kg，BMI：22.2±1.8kg/m2，安静 HR（晨脉）为 57.2±8.6bpm。 受试者无肌肉疲劳症状，测试前24h 禁止摄入咖啡因等刺激剂、避免剧烈运动，正式实验前签署知情同意书（任何阶段可无条件退出实验）。 本研究符合2013 年芬兰赫尔辛基宣言修订版相关伦理学要求。

1.2 研究设计及测试流程

本研究进行 PA-R 问卷和安静心率 （rest heart rate，HRrest）、20MST 和 12min 跑测试， 各项测试内容在独立测试日完成以避免相互干扰（见图1）。首先，填写PA-R 问卷，隔天后通过1min 脉搏测量法测定晨起 7 点（HR1）和下午 2 点时的安静心率 （HR2）。 要求受试者熟悉场地和测试流程至少3次（包括预试验在内），然后以随机顺序分配场地测试，20MST和 CR12min 同时进行（各16 人），间隔 3 天后交换测试项目（32 人均完成 20MST、CR12min 测试）。 场地测试时，充分热身后统一在当天下午 4～6 点完成，记录20MST 和 CR12min 跑的最好成绩。 所有测试均由两名经过严格培训的实验员施测。

图1 研究设计及测试流程示意图

1.3 测试指标及方法

1.3.1 PA-R 问卷法（physical activity rating，PA-R）

根据受试者过去1 个月参与运动的类型、强度、时间和频率，分7 个等级评价受试者O2max 的预测值，计算公式：PA-RO2max=56.363+（1.921*PA-R）-（0.381* 年龄）-（0.754*BMI）+（10.987* 性别）［17］。 PA-R=1～7；性别：男=1。

1.3.2 安静心率预测法

考虑到受试者晨起和下午的身体机能状态有所差别，安静心率（HRrest）也不相同。所以本研究测试晨起7 点的安静心率（HR1）和下午2 点时的安静心率（HR2），以评价受试者两种机能状态下O2max 的预测值。计算公式：心率预测O2max=15.3*最大心率/安静心率［16］。 最大心率（HRmax）=208-0.7* 年龄［19］。

1.3.3 20m 往返跑（20MST）

受试者在室内篮球场测试。 长度20m、两端设置标志物，在20MST 的音频节奏控制下，以踏上或踏过端线明显标志物为标准，规定时间往返跑20m 的距离，如提前到达，则在“嘟”声响起后出发 （禁止提前到达后提前出发）。 起始速度为8 km·h-1，每分钟递增 0.5 km·h-1，以连续 3 次“嘟”声提示加速进入更高一级跑速。 经反复鼓励，连续3 次不能在规定时间内按要求踏上/踏过端线，或感到无法坚持运动时则立即停止测试。 根据音频提示记录相应级数以评价O2max， 计算公式：20MSTO2max=31.025+3.238*S-3.248*A+0.1536*S*A［15］。 S 为受试者能完成的最后一级跑速， 即最大有氧速度（Maximal Aerobic Speed，MAS），S=8+0.5* 级数；A 为年龄，精确到 0.5 岁。

1.3.4 库珀 12 分钟跑（CR12min）

在400m 标准田径场跑道进行CR12min 测试， 每隔50m设置标志物。 每8 人一组，在12 min 内跑或走尽可能远的距离，结束时记录距离精确到10m。 根据距离评价O2max，计算公式：12minO2max=22.351* 距离（km）-11.288［12］。

1.4 统计分析

数据以均数±标准差（M±SD）表示，用 SPSS26.0 统计。4 种测试法共 5 项O2max 预测值 （PA-R、HR1、HR2、20MST 和CR12min），经 Kolmogorov-Smirnov 正态分布检验（K-S normal distribution test），发现除20MST 外，其余结果不符合正态分布也不具备方差齐性。故用Kruskal-Wallis 非参数检验考察5 项O2max 预测值的差异，事后比较（Post-hoc）采用最小差异检验法（least significant difference， LSD）。 不同方法O2max 预测值的相关用 Spearman 系数（r）表示。 用 Bland-Altman 法进行一致性分析，汇报值均值差（mean bias）和95%差异范围的一致性界限 （95% limits of agreement，95%LoA），95%LoA=均值差±1.96 倍标准差（mean bias±1.96×SD）。 并计算均值差的标准差（SD of bias）。统计显著性差异临界值设为 α=0.05（p＜0.05）。

2 结果

2.1 非运动测试和运动场地测试法O2max 预测值的比较

2.2 非运动测试法和运动场地测试法评价心肺耐力结果的相关性

5 项预测值（20MST、CR12min、PA-R、HR 法）的 Spearman相关分析结果见图 3：20MST 和 CR12min （r=0.87，p＜0.01），HR1 与HR2 的预测值相互间分别呈显著高度正相关（r=0.89，p＜0.01）。 但非运动测试法与运动场地测试法预测值之间并无显著相关：PA-R 法与其他方法预测结果并不显著相关 （图3C-F），HR1、HR2 分别与 20MST（r1=0.23，p=0.200；r2=0.23，p=0.199）、CR12min 的预测值都无显著相关 （r1=0.33，p=0.06；r2=0.31，p=0.08）。

2.3 非运动测试法和运动场地测试法评价心肺耐力的一致性

图4 非运动测试与运动场地测试法预测O2max 的Bland-Altman 分析

3 讨论

心肺耐力是体质健康的核心组成要素［6］。间接测试法是根据特定任务的具体表现来预测O2max，因为影响因素更多，精确性不如直接测试法［20］。 但因便于大样本人群同时测试等优势，在全球已广为应用［8］。 Léger 等创立的 20MST［15］、Cooper 等建立的 12min 跑，都是预测O2max 的经典间接测试法［12］。 不同研究都证实：20MST 和 CR12min 预测O2max 与实验室递增负荷测试（直接测试法）结果高度相关（r=0.897～0.90），而且在不同人群中的重测信度都较高［13］。 但某些特定人群难以或不愿完成极量、亚极量运动负荷测试，所以非运动测试法在某些特定人群中的适用性比场地测试法更好，具有更便捷、安全和易于推广的优点［8，20］。 目前，虽然间接测试法应用较为广泛，并已应用于某些可穿戴设备以预测和评价心肺耐力［11］。 但非运动测试和运动场地测试法评价心肺耐力的一致性并不明确，如果混用，不同方法所得结果的一致性和可靠性均无法确认，可能会给健身人群造成困惑，甚至带来误导。 本研究发现，几种方法的均值接近，分布于49.1～53.5ml/kg/min 区间，组间均值的最大值与最小值相差4.4ml/kg/min。 除PA-R 和HR2 法的结果有显著差异，其余各组之间都无显著差异（图2）。此外，一个有趣现象是：虽然同为间接测试法，但同类测试法之间的预测结果更接近 （PA-R、HR1 法的均值高于 20MST、CR2min的均值）。 说明非运动测试法（PA-R、HR1）和运动场地测试法（20MST、CR12min）预测和评价O2max的结果较为一致，而且呈现同类测试方法更为接近的特征。

我们分析认为：虽然上述研究通过（较）大样本人群建立预测方程，方程拟合优度较好、可靠性也得到认可，但相关研究并未验证预测方程的收敛度和在不同人群中的适配度。 所以预测方程在小范围特殊人群中的准确性和有效性很可能会下降。 因为PA-R 法是通过询问受试者过去一段时间内运动参与频率、强度、时间和类型，结合性别、年龄和BMI 来预测O2max（参见 1.3.1 部分 PA-R 预测公式）［17］。 虽然有证据显示PA-R 法在大样本人群中能较为准确地预测O2max， 但美国学者Kolkhorst 等对高体力活动水平大学生群体开展研究后发现，非运动测试法会严重低估（greatly underestimated）大学生心肺耐力水平［18］。 而本研究的受试者 PA-R 得分较高（5.5±1.4 分，满分7 分），为体力活动较活跃的大学生，而且性别单一（均为男性）、年龄跨度小（20.1±1.03，18.5～22.0 岁）、BMI 接近（22.1±1.65kg/m2，19.0～26.5kg/m2），所以本研究通过 PA-R法所得O2max 预测值的离散程度不大（53.5±3.1ml/kg/min）。虽然我们发现PA-R 法与20MST、CR12min 法的结果无显著差异（图2），但进一步考察发现，PA-R 法与场地测试法结果（参考效标）并不相关（图 3）、且一致性很低（图 4）。 所以，结合本研究与Kolkhorst 等的研究结果，我们认为，在较高体力活动水平的男性大学生人群中，PA-R 法与运动场地测试法预测O2max 的结果不能相互替代。 至少两类方法应进行独立评价，不能混用结果（即使两类方法都能够有效评价大学生的心肺耐力，也应分别参考评价结果）。 而个体回顾性体力活动调查时常出现过高估计的情况［27-28］，可能是导致PA-R 法与场地测试结果相关性和一致性很低的重要原因。 此外，我们前期针对不同体力活动水平和心肺耐力水平肥胖人群的研究也发现，虽然心血管有相似机能表现，但肥胖患者的体力活动水平和心肺耐力水平并不一致［5］，提示体力活动水平虽然与心肺耐力有关，但在评价准确性方面仍然需要更多的探索与验证。 有研究对比跑台递增负荷测试结果发现，O2max 高的人在运动场地测试（CR12min）中的表现更好，O2max 低的人则相反。但总体而言预测值都高于实测值［10］。 所以，要提高PA-R 法的准确性， 可能首先应致力于提高受试者回顾评价体力活动水平的准确性。

非运动测试法预测与评价心肺耐力， 除体力活动问卷法（PA-R、IPAQ 问卷等）外，HR 法也是经典方法之一。 因为人体经长期心肺耐力锻炼后， 安静心率 （HRrest） 显著降低、O2O2max 显著提升［29］，停训后O2max 降低、HRrest 升高［30］，提示O2max 和 HRrest 可能存在负相关关系。 Uth 等通过 HR 法与直接测试法（跑台递增负荷测试）比较36 名有耐力训练经历成年男性的O2max，发现两种方法的结果呈高度正相关（r=0.86） 且有很高的一致性 （LoA=-0.28±5.3ml/kg/min；SEE=2.72ml/kg/min，占 4.5%O2max），提示 HR 法是预测和评价心肺耐力的有效方法 （心率预测O2max=15.3*HRmax/HRrest）。本研究发现，HR1 与HR2 法结果无显著差异（图2），二者呈高度相关且一致性好（图3C、图4E），结果非常“理想”。 分析认为， 二者实际上是同一种方法的同一指标在不同时间点的测试结果，故HR1 与HR2 高度正相关和一致性好的结果并无实际意义。 所以从应用角度而言，应在参考不同方法结果差异的基础上，重点考察结果的相关性和一致性，再进行综合评价。Spearman 相关（图 3）和 Bland-Altman 结果（图 4）显示：HR1（r=0.23，p＞0.05）、HR2 （r=0.23，p＞0.05） 和 参 考 效 标 结 果（20MST） 无 显 著 相 关 ，95%LoA 绝 对 值 分 别 为 34.87 和35.19ml/kg/min， 均值差的标准差分别为-1.63 和-2.39；HR1（r=0.31，p=0.06）、HR2（r=0.33，p=0.08）和 CR12min 呈低度相关且并无显著性差异（图4A）。

分析认为， 受试者运动水平或体力活动水平、HRmax 和HRrest 的确定方法是影响预测结果最为重要的因素［8，16，31］。 因为当 Uth 等［16］使用 HRmax 预测值（208-0.7* 年龄）代替实测值，HR 法得到的O2max显著低于实测值，而且O2max 预测值与实测值结果的相关性与一致性都显著下降 （LoA=-1.4±9.2ml/kg/min；SEE=3.93ml/kg/min，占 7.8%O2max），提示 HR法中HRmax 和HRrest 的确定方法是准确心肺耐力的关键。但近期［32］的最新研究［31］也指出，受试者性别、年龄、体成分和体力活动水平等能够影响HRmax 和/或HRpeak 的因素都会影响HR 法的预测结果。 虽然本研究也采用“208-0.7* 年龄”作为HRmax 预测值，已证实该公式在健康成年人中，比“220-年龄”这一常用公式预测HRmax 的准确性和可靠性更高［8］，但本研究受试者年龄跨度 （年龄 18.5～22.0 岁，SD=1.1） 明显比Uth 等的受试者年龄跨度（SD=7.7）更小［16］，所以本研究得到的HRmax 实际上是在均值常数周围小幅度波动 （194±0.8 bpm，192.6～195.1 bpm），年龄跨度小而导致预测 HRmax 差异小，这可能会影响HR 法预测O2max 的准确性。

目前， 国内外对于HR 法中测量HRrest 的时间没有具体规定和建议。前人研究通常使用5min 内任何1min 平均心率的最低值作为参考指标［16］。 本研究创新性地分别采用晨起7 点（HR1=55.5±9.6bpm） 和下午 2 点 （HR2=60.9±11.1bpm）的HRrest 用于预测O2max，从生理学角度而言，HR2 与实践结合更紧密、更接近个体运动前HRrest，这在实践方面有更好的借鉴和指导意义。结果发现HR2rest 与HR1rest 均值差ΔHRrest=5.4bpm，对应预测结果的均值差 ΔO2max=4.8ml/kg/min，一定程度上都反映出受试者同一天内不同时间点身体机能的差异。HR1、HR2 法与场地测试法预测值无显著差异的结果也有一定的参考价值，其中HR2 法结果是5 项预测值中最低的，而且与场地测试法的预测结果更为接近（图2）。 结合众多研究发现的间接测试法很可能高估O2max 的现象［8，10，21，25，27-28］，以及本研究HR2 结果显著低于PA-R 法预测结果的证据（图2），提示HR2法评价大学生心肺耐力有可能优于HR1 法和PA-R 法，但仍有待于进一步扩大样本量并开展针对性研究加以证实。 但与PAR 法相似的是，HR2 法与场地测试法结果并无显著相关和较好的一致性（图3A、图4D），所以应用HR2 法预测和评价大学生心肺耐力时需注意：1）本研究测试HR2（运动前的安静心率）时难以保证安静环境，HR2 有可能受干扰而导致结果偏高， 致使HR2 法的预测值可能偏低；2）HR 法的预测公式中关于实测还是预测HRmax 并无明确规定， 国内外研究也根据其实际情况选用相应HRmax 的确定方法。 但应明确的是，用HRmax 实测值更为准确和科学，而大样本人群测试时用HRmax 预测值（预测公式）更为高效和便捷［19］。 这都是将来有关研究提高非运动测试法的准确性和有效性方面值得关注的重点。

研究局限： 本研究旨在评价不同心肺耐力预测和评价方法在大学生人群中应用的科学性， 但因为研究的样本量较小（n=32），所以与Uth 等的研究（样本量大、受试者年龄范围广）有所不同，本研究主要目的不是建立回归预测方程，而是探索和验证非运动测试法与经典的运动场地测试法预测结果的差异和稳定性。 因为本研究受试者同质性较高：性别单一（均为男性）、年龄跨度较小、体力活动水平和BMI 相对接近等原因，所以本研究结果的内部效度高，也有一些针对性的新发现。 但本研究结果能否推及和适用于更大的样本群体以及大学生以外的人群，仍有待于进一步研究确认。

4 小结

1）在体力活动较为活跃的男大学生群体中，非运动测试法和场地测试法的O2max 预测结果无显著差异，但非运动测试法预测结果的稳定性（相关性和一致性）低于运动场地测试法。 所以非运动测试法与场地测试法评价大学生心肺耐力的结果可相互参考，但应进行独立评价，两类方法不能混用和相互替代。 2）非运动预测法中，HR2 法有可能优于PA-R 法，但两种方法不能相互替代且均不能替代运动场地测试法用于评价大学生的心肺耐力。 20MST 和CR12min 两种场地测试法的预测结果无显著差异，且相关性和一致性高，是可以相互替代的场地测试方法。