心率变异阈值评价肥胖儿童通气阈的探索研究

陈 浩，徐 菁，曾锦树，陈佳豪，徐 飞

(杭州师范大学体育学院，浙江 杭州 311121)

0 前言

全球超重与肥胖人群数量逐年攀升，已成为一个重要的公共健康问题．不仅如此，因为体力活动不足和饮食等原因，肥胖人群呈低龄化发展趋势，引发了更多的社会关注．所以，肥胖人群的科学运动和运动锻炼的科学评价成为医学和运动科学等交叉学科领域的研究热点[1]．运动处方制定的重要依据是运动强度，其中无氧阈(anaerobic threshold, AT)是最为重要的强度参考指标(依据)．AT是指在递增负荷的运动过程中，人体从有氧代谢供能进入到有氧与无氧代谢共同供能的拐点(突增点)，主要通过乳酸无氧阈和通气无氧阈(ventilatory anerobic threshold, VAT)来反映.通气无氧阈简称为通气阈(ventilatory threshold, VT)，低于VT强度的运动有助于最大脂肪氧化[2]，高于通气补偿阈(respiratory compensation threshold, RCT)强度的运动可能会导致食欲降低[3]，介于VT与RCT间的中高强度运动能够更好地改善心血管机能，降低心血管风险[4]．因此，准确评估VT强度对于制定个性化运动处方有重要意义[5]．VT主要通过评估心肺运动测试中的气体交换来确定，但该方法对仪器设备、实验人员的专业素质和安全支持设施等都有较高要求[5-6]，所以探索有效评价VT的低成本方法具有很高的应用价值．

心率(heart rate, HR)是评价运动强度应用最为广泛且易于获取的指标之一，基于逐次HR周期差异的细微变化情况计算得到的心率变异性(heart rate variability, HRV)是评价心脏自主神经系统(副交感和交感神经调节)的无创、有效测试指标．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值(heart rate variability threshold, HRVT)[7]．有研究探索通过HRV评价AT强度[8]，也有研究尝试用HRV评价超重和肥胖青少年的VT值[9]，但研究结果并不一致．这是因为肥胖受试者的交感神经活性被过度激活[10]、肥胖儿童早期出现自主神经系统功能障碍[11]等前置条件对最终结果存在影响．此外，受试者的个体差异、测试仪器和关键指标(HRV、VT)的分析方法不同、研究方案不同也是结果不一致的重要原因．研究结果的不一致会影响HRV评价VT的信度和结果应用的外部效度．

目前尚不明确HRVT能否用于有效评价肥胖人群的VT．如果能，那么在运动干预改善肥胖儿童身体机能之后，HRVT与VT的对应关系是否仍然成立？这是HRVT能否作为评价VT的可靠、便捷指标的两个重要问题．因此，本研究旨在探索由线性(时域和频域)与非线性HRV分析方法确定的HRVT评价肥胖儿童VT的有效性，为HRVT在肥胖儿童群体运动处方和科学锻炼中的应用提供证据与参考．

1 研究对象与方法

1.1 受试者

以参加暑期封闭运动减肥夏令营的25名肥胖儿童为研究对象，其中女孩11名，男孩14名，平均年龄(12.3±1.6)岁，身体质量指数(body mass index， BMI)为(31.8±0.9) kg/m2．肥胖程度根据《中国儿童超重、肥胖筛查体质量指数值分类标准》判定．受试者入营前接受标准的体格检查并询问病史，日常除参加各自校内规定的体育课以外均无常规性体育锻炼，无心肺系统疾病史．正式实验前受试者及其父母均签署知情同意书．最终完成测试的23名儿童(1女1男退出实验)的数据纳入统计分析．

1.2 实验设计

受试者完成形态学测量后，在Powermax-Ⅶ功率自行车(日本)上进行递增负荷测试，用Polar V800心率表(芬兰)连续记录HR和RR间期(R-R interval， RRi)数据[12]．佩戴Hans Rudolph三通呼吸面罩，用气体代谢分析仪(MaxII，AEI，美国)测试气体交换和通气反应．确认VT与HRVT出现时对应的HR和功率(work power, WP)．实施6周运动干预后进行重复测试，干预期间受试者日常体力活动保持不变．

本研究在封闭式运动减肥夏令营中完成，在遵循运动处方基本原则的框架下，结合前期研究成果[13-16]，设计6周运动干预结合饮食控制内容，主要包括：1)每周5次持续60 min的锻炼(散步、跑步、游泳、水上运动或运动游戏等)，运动强度介于VT和RCT之间；2)保证满足生长发育需求的膳食(糖、脂肪及蛋白质供能分别约占总热量的60%、25%、15%)，每日摄入总热量=体重×单位体重低体力活动热量(20～25 kal/kg)．配备监督员确认肥胖儿童在运动干预期间执行干预内容并保障锻炼安全．

1.3 测试方法与指标

1.3.1 形态学测量

赤足、着单衣和空腹，BSM 370身高体重测试仪(韩国)测量身高、体质量、腰围和臀围，计算BMI、BMIz评分和腰臀比(waist hip ratio, WHR)．

1.3.2 递增负荷测试

调整座椅高度以保证正确蹬车姿势，5 min热身运动后，受试者在功率自行车上佩戴相关测试仪器并采用逐级递增蹬车方案，初始负荷为男孩15 W、女孩10 W，踏频70 r/min，每级负荷2 min、递增30 W，直至力竭．同期记录HR并完成自感疲劳量表(rated perceived exertion, RPE)．当呼吸商(respiratory quotient, RQ)≥1时，持续1 min以获得稳定的RRi数据．据Loftin等采用的肥胖儿童心肺功能测试标准[17]，满足以下任意3个条件则判定力竭并立即终止测试：1)HR≥85%HRmax(HRmax=220-年龄)；2)RQ≥1.10；3)RPE>17；4)不良主诉无法坚持运动，或既定负荷下不能保持坐姿蹬车或不能维持60 r/min踏频．记录峰值耗氧量(peak oxygen consumption,VO2peak)和相对功率峰值(relative peak power, RPP)．

1.3.3 心率变异阈值测量

用棉球蘸酒精清洁皮肤及心率信号传感器，Polar H10心率带置于心尖齐平位置，Polar V800心率表以1 000 Hz频率记录RRi数据[12]．用Kubios HRV Premium 3.4.0分析数据：通过自适应QRS检测算法检测数据时间序列的R波峰值，对异位搏动等原因导致的RRi伪差数据采取中度阈值校正．用三次4 Hz样条插值法对伪差数据进行插值替换，再通过平滑度先验法对RRi数据进行去趋势处理(平滑参数λ=500)，另存为校正数据[18]．

采用线性与非线性方法分析HRV，目测法和Dmax法确定HRVT[8]．在目测法中，HRVT被认为是递增负荷测试中相邻RR间期差值均方的平方根(rMSSD)、高频带(HF)、标准差1(SD1)无持续下降的稳定点[1,19]．两名训练有素的实验员独立评估稳定点，结果有分歧时，由另一位研究员参与讨论决定．线性分析方法包括：1)时域分析.用每个阶段最后60 s的校正数据分析rMSSD，连续2个阶段间rMSSD未出现明显下降的相对稳定点被界定为HRVTT[8]．2)频域分析.对校正数据进行快速傅里叶变换，为更全面地覆盖和评估高呼吸频率下获得的RRi数据，HF从0.15 Hz延长至1.8 Hz[20]．用三阶方程(fHFm)建模，计算该模型下的高频功率(HFp)，通过对数变换(ln(HFp))方法提高侦测RRi数据瞬时变化的敏感性和准确性，HRVTS1对应ln(HFp)的最低稳定点，而HRVTS2对应于ln(HFp)最后一次显著增长的稳定点[21]．非线性分析采用趋势波动分析法，将每个RRi数据(R—Rn, R—Rn+1)界定为横纵二维坐标系中的一个点，再根据RRi点阵数据绘制庞加莱图(Poincaré plot)．每个阶段最后60 s的RRi数据用于分析SD1，SD1曲线中时段数据无突增或突减变化时判定为稳定点，界定为HRVTSD1[22]．提取时域分析、频域分析和非线性分析方法确定的HRVT(HRVTT、HRVTS1、HRVTS2、HRVTSD1)值对应的心率(HRT、HRS1、HRS2、HRSD1)与功率(WPT、WPS1、WPS2、WPSD1)作为判断运动强度的关键指标．

1.3.4 通气阈测量

用气体代谢分析仪测定每分通气量(VE)、摄氧量(VO2)和CO2排除量(VCO2)，输出数据为10 s连续采样的平均值．采用Gaskill等[23]提出的组合方法即通气当量法、过量二氧化碳法、V-斜率法测定VT和RCT，VT对应于VE/VO2曲线的首次非线性增加，且VE/VCO2曲线没有显著拐点，RCT对应VE/VCO2的首次非线性增加并与VE/VO2的第二次非线性增加的交点．分别提取VT和RCT对应的心率(HR1、HR2)和功率(WP1、WP2)作为判断运动强度的关键指标．

1.4 统计分析

采用Stata16.0软件分析数据，Kolmogorov-Smirnov检验正态分布，6周运动干预的前后差异采用配对样本t检验．6周运动干预前后HRVT、VT对应HR、WP的重测信度用组内相关系数(intraclass correlation coefficient, ICC)表示，ICC值0.21～0.40、0.41～0.60、0.61～0.80、0.81～1.00分别对应信度一般、中等、高和非常高[24]．运动干预前后各指标的相关性采用Pearson相关统计，r值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、非常高和极高[25]．绘制运动干预前后HRVT、VT对应HR、WP的Bland-Altman图以评估一致性，并计算均值偏差(mean bias)和95%一致性界限(95% limits of agreement,95%LoA)．显著性水平置为α=0.05．

2 研究结果

2.1 运动干预后肥胖儿童身体形态、运动能力和心率变异阈值对应运动强度评价指标的变化

6周运动干预后，肥胖儿童身体形态特征指标(体质量、BMIz评分和WHR)、有氧能力(VO2peak)和相对功率峰值(RPP)有显著改善，见表1．干预前后，HRVT和VT强度对应HR与WP的比较见图1．

表1 运动干预前后肥胖儿童形态特征与运动能力变化Tab.1 The changes of morphological characteristics and exercise ability in obese childen

注：*,P<0.05；**,P<0.01．图1 HRVT和VT对应心率与功率的比较Fig.1 The comparison of HR and WP at HRVT and VT

2.2 HRV与VT对应运动强度指标的相关性与一致性

2.2.1 HRVT与运动强度评价指标的重测信度

气体代谢法确定的VT、RCT强度时HR的ICC值分别为0.88和0.87，WP的ICC值为0.85～0.86；HRVT对应HR的ICC值为0.83～0.85，WP的ICC值为0.83～0.87，具有非常高的重测信度(表2).

表2 心率变异阈值和通气阈时心率与功率指标的ICC值Tab.2 The ICC value of HR and WP at HRVT and VT

2.2.2 HRVT与运动强度评价指标的相关性和一致性

由表3可见，运动干预前后，VT与HRVTT、HRVTS1、HRVTSD1，RCT与HRVTS2对应的HR及WP均显著相关(r=0.58～0.89)，其中VT与HRVTS1、RCT与HRVTS2对应的HR及WP呈显著高度正相关(r=0.84～0.89)．

表3 运动干预前后阈值对应心率与功率的相关性和误差范围Tab.3 The Pearson correlation and error range of HR and WP at the threshold before and after exercise intervention

统计误差结果(表3)显示，运动干预前，HRVTS1与VT强度时HR误差<5 次/min的占69.57%、WP误差<10 W的占69.57%，而运动干预后两者分别占73.91%和78.26%；运动干预前HRVTS2与RCT强度时HR误差<5 次/min的占73.91%，WP误差<10 W的占56.52%，运动后则分别占78.26%和73.91%．

用Bland-Altman法检验HRVT与VT测试结果的一致性发现：运动干预后HR1与HRS1(图2B)、WP1与 WPS1(图2F)的均值偏差(0.99、1.16)比运动干预前(1.64、3.32,图2A、E)更接近0．运动干预后HR2与HRS2的均值偏差为0.21(图2D)，比运动干预前(图2C)的1.12更接近0，但WP2与WPS2的均值偏差从运动干预前的4.06(图2G)增加到干预后的5.40(图2H)．总体而言，HRVT与VT两种测试结果的95% LoA置信区间较窄，均值偏差趋于0．

图2 心率变异阈值和通气阈对应心率与功率的Bland-Altman图Fig.2 Bland-Altman plot of HR and WP at HRVT and VT

3 讨论

测定无氧阈有多种方法，主要有血乳酸法、气体代谢分析法、心率和肌电图法等[26]，其中血乳酸法和气体代谢法应用最为广泛．因血乳酸法是微创测试，所以更趋向于采用无损伤的气体代谢法评价无氧阈．此外，气体代谢法的数据误差也更小[26]．Gaskill等[23]提出采用组合方法，与传统气体代谢法相比，该方法不仅能够减少无效数据，而且能够有效降低误差，提高判定准确性．本研究发现，肥胖儿童经6周运动干预后，在身体成分改善、腰围降低的同时，心肺功能也有显著提高(表1)．肥胖儿童肺通气能力偏低，同等条件下承受运动负荷的能力低于正常儿童[27]，这很可能影响他们的生长发育及体质水平[28]．如果肥胖儿童经运动干预身体成分和机能均有改善后，HRVT和VT的强度判断指标仍然一致，说明HRVT和VT在身体机能改善的情况下，仍然能够准确评价运动强度，这是目前国内外研究都尚未确认的一点．本研究发现，运动干预后肥胖儿童的WP1和WP2水平均显著提高，WPT和WPSD1水平也出现了显著性提高(图1)，同时频域分析方法获得的HRVT对应的WPS1、WPS2表现出相似的显著性提高．总体来看，运动干预后HRV方法测得的HRVT对应强度判断指标(HR、WP)与气体代谢法测得VT对应强度指标的增幅相似，提示HRVT可用于评估肥胖儿童的心肺健康状况，评价锻炼的健康增益效果．

重测信度结果显示，HRVT对应的HR和WP具有高重测信度(表2)，说明递增负荷测试时HRV法确定的HRVT有高重测信度，HRVT在评价肥胖儿童运动强度方面具有很好的稳定性．这与前人对健康成年人采用功率自行车测试的rMSSD指标[29]，以及对不同人群(中老年人)步行测试的HRVT结果[30]一致．综上，HRV频域分析阈值的重测信度高，HRVT测评肥胖儿童心肺健康变化有高信度和较好的特异性、稳定性，能够作为评价肥胖儿童的生理强度指标．

本研究旨在评估HRV线性(时域、频域)和非线性分析方法得到的HRVT能否准确评价肥胖儿童的VT，并验证运动干预后HRVT评价VT的可靠性和稳定性，从而探索HRVT评价VT的可行性．已有研究证实，HRV能够用于检测与分析健康人群递增负荷运动时的副交感神经活性[20]．Karapetian等[8]发现，副交感神经活性降低与乳酸阈(LT)和VT的迅速增加相对应，但超重或肥胖儿童在VT强度时的自主神经系统活性规律仍不明确．Shibata等[31]发现，肥胖女性HRVT与VT对应的HR存在显著正相关(r=0.74)．Vasconcellos等[6]发现，青少年人群中HRV时域分析确定的HRVT与VT高度相关(r=0.8～0.9)，且Bland-Altman图显示具有较高的一致性．而本研究发现，时域分析确定的HRVTT和VT呈中度相关(HR:r=0.62～0.64；WP:r=0.63～0.65)．这与Quinart等[22]在肥胖青少年中观察到的结果比较一致．但有趣的是，本研究发现6周运动干预后肥胖程度得到显著改善(表1)，HRVTT与VT的相关性也相应提高(表3)．所以，笔者推测肥胖因素(或肥胖程度)有可能影响了时域分析方法HRVT的结果．

HRV非线性分析方法确定的HRVTSD1与VT的相关性(HR：r=0.58～0.60；WP：r=0.64～0.67)和时域分析方法结果(HR：r=0.62～0.64；WP：r=0.63～0.65)接近，均呈中度相关，这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[32]．推测HRV非线性分析计算的HRVT结果可能因为基础时间动态信息缺乏而影响评价VT的准确性．而本研究观察到频域分析方法确定的HRVT与VT强度对应的WP呈高度相关(HRVTS1与 VT：r=0.85～0.87；HRVTS2与RCT：r=0.84～0.86)，说明频域分析方法可能优于时域分析和非线性分析方法确定的HRVT结果．也有一项探索性研究的结果支持本研究，虽然该项研究没有确定HRVT，但发现HRV频域分析结果可用于评价VT和RCT[33]．因为HF功率及其相关的峰值频率受潮气量和瞬时呼吸频率的影响，所以不需要其他设备来测量呼吸频率[34]．本研究发现，HF和ln(HFp)在递增负荷运动中呈U形曲线，从开始下降到第一个阈值(HRVTS1)时，副交感神经活性低，呼吸频率相应增加．曲线从第二个阈值(HRVTS2)起急剧增加，可能是因为呼吸频率增加对窦房结施加了更大的机械效应(应力)所致[33]．此外，本研究在肥胖儿童群体中发现的显著相关关系，在健康人群[20]和心血管疾病患者人群[35]中也同样存在．

本研究结果显示，HRV频域分析确定HRVT的相关系数优于时域和非线性分析方法(表3)．这可能是因为频域分析指标的采样频率高，对应的时间分辨率更高，从而更接近HRV阈值时对应RRi的真实值．对应指标的误差区间结果也支持上述推断：肥胖儿童运动干预前后HRV频域分析与气体代谢法对应HR间的误差小于5 次/min的占69.57%～78.26%，且运动干预前后HRVTS1与VT的Bland-Altman图显示均值偏差(1.64，0.99)趋近于0．因此，HRV频域分析方法确定的HRVT也许能够更为准确地评估VT与RCT．此外，6周运动干预前后，肥胖儿童HRVTS1、HVRTS2分别与通气阈强度(VT、RCT)对应指标呈高度相关(干预前r>0.84，干预后r>0.85)，这提示6周运动干预后，HRV频域分析结果在评价肥胖儿童群体通气无氧阈强度时具备稳定性，能够有效评价VT强度．综上，HRV频域分析方法确定的心率变异阈值(HRVT)是评估肥胖儿童无氧阈(AT)的可靠方法．

4 小结与展望

基于HRV频域分析方法判定肥胖儿童的HRVT与VT在运动干预前后均具有较高一致性，HRVT可能是推测肥胖儿童VT的有效替代新方法．未来的研究应增大样本量、优化运动测试方案，以提高HRVT判定VT的有效性，使这种低成本和非侵入性工具能更广泛地用于肥胖人群个性化运动处方的制定，从而更好地为科学锻炼和防控运动风险服务．