中高强度身体活动量与肥胖儿童青少年心肺适能改善的剂量-效应关系研究

陈泽恺 朱琳 李展权 曹友祥 谢维俊

1广州体育学院研究生院（广州 510500）

2广州体育学院运动与健康学院（广州 510500）

在过去的几十年间，儿童青少年肥胖检出率呈现逐年上升的趋势[1，2]。流行病学研究表明，青少年肥胖的增加将伴有心肺适能（cardiorespiratory fitness，CRF）的下降，且与心血管疾病、代谢性疾病的发生风险相关[3]。鉴于心肺适能对健康的重要作用，美国心脏协会于2016年将心肺适能作为人体的第5大临床生命体征[4]。最大摄氧量（maximal oxygen consumption，VO2max）是评价心肺适能最常用的指标[5，6]，可通过跑台测试、20 m往返跑测试（20-m shuttle run test，20-mSRT）、12 min跑测试等多种测试方法获得受试者的VO2max。

身体活动（physical activity，PA）是指任何骨骼肌收缩引起的高于基础代谢水平能量消耗的机体活动，与健康之间存在“剂量-效应”关系，不同运动持续时间、强度、频率组合形成的身体活动所带来的健康效应也不同[7-9]，其中运动强度是关键[10]。与此同时，有学者也发现身体活动与健康促进效果之间的关系并非都是简单的线性相关，对于部分健康指标而言，当身体活动量达到某一阈值后，身体活动量的增加并不能获得更高的健康效益[11，12]。

既往研究已证实，身体活动与儿童青少年的心肺健康呈正相关，可显著改善儿童青少年心肺适能[13，14]。《中国儿童青少年身体活动指南》及世界卫生组织（World Health Organization，WHO）在其发布的身体活动指南中均建议儿童青少年每天进行至少60 min的中高强度身体活动（moderate to vigorous intensity physical activity，MVPA），以改善心肺适能和整体健康水平[15，16]，但尚不能获得心肺适能改善所需的最佳身体活动剂量。就是说，尽管指南推荐每日MVPA应达60 min，但对于肥胖儿童青少年，增加每日MVPA推荐量的时间能否带来更高的心肺适能改善效果，以及这种改善效果的增加是否具有阈值效应尚未可知。鉴于此，本研究通过深入探讨MVPA量与心肺适能改善效果之间的剂量-效应关系，以明确改善肥胖儿童青少年心肺适能的最佳剂量，为肥胖儿童青少年的运动干预指导提供更精确及科学化的理论参考。

1 对象与方法

1.1 研究对象

本研究招募的受试者为10～17岁的肥胖儿童青少年，所有受试者均来自参加深圳减肥达人训练营的营员，在正式进行测试前受试者及监护人均需签署知情同意书。纳入标准：（1）儿童青少年肥胖标准参照《中华人民共和国卫生行业标准（WS/T586-2018）学龄儿童青少年超重与肥胖筛查》[17]；（2）智力水平发育正常；（3）通过运动风险筛查；（4）具有良好依从性，能够积极配合运动干预及完成相应指标采集。排除标准：（1）病理性肥胖；（2）患有严重肥胖并发症；（3）正在接受药物治疗；（4）存在运动受限，无法完成基本运动。研究方案获得广州体育学院人体伦理委员会审批，审批编号为2018LCLL-008。

1.2 研究方法

1.2.1 身体形态学指标测量

采用符合国民体质监测标准的身高计和体重计对受试者身高、体重进行测量，根据结果计算身体质量指数（body mass index，BMI）。身高测试以cm为单位，精确至0.1 cm；体重测试以kg为单位，精确至0.1 kg。

1.2.2 身体活动量测量

采用ActiGraph GT3X+三轴运动加速度计（Acti-Graph，Pensacola，FL，USA）对受试者整个干预周期内的身体活动情况进行记录。佩戴位置为身体右侧腋窝中线与髂脊水平线相交处[18]，30 Hz采样频率，60 s的采样间隔，每周佩戴6天，每天至少佩戴7小时[19，20]，工作人员于每日早上9点发放仪器，晚上21点回收，采用仪器配套的软件ActiLife Version 6.13.3进行数据导出与分析，将连续60 min未监测到活动数据的时间段设定为未有效佩戴加速度计[21]。肥胖儿童青少年MVPA的切点值为VM3≥3687 counts/min[22]。

1.2.3 心肺适能指标测量

以最大摄氧量（maximal oxygen consumption，VO2max）作为心肺适能的评价指标，采用20 m往返跑测试[23]的结果估算受试者VO2max。正式进行20 m往返跑测试前由测试人员对受试者进行规则的讲解，并安排1名测试人员全程领跑，记录每一位受试者最终完成的laps（圈）数，然后代入公式算出VO2max值。计算公式[24]如下：VO2max=41.76799+（0.49261×PACER）-（0.00290×PACER2）—（0.61613×BMI）+（0.34787×gender×age），其中PACER为20 m往返跑测试最终完成的laps（圈）数，男生gender=1，女生gender=0。

1.2.4 运动干预

受试者在营期间统一进行运动干预，运动类型以有氧运动为主，运动项目主要包括快走、慢跑、体育游戏、有氧操、娱乐性的球类运动等，运动时间为240 min/d（上、下午各120 min），每周6天，共持续4周。

1.2.5 静息能耗测试

使用Cortex Meta Max 3B便携式气体代谢分析仪（简称Cortex 3B）进行静息能耗的测试，测试前24小时禁止饮用咖啡或酒精类饮品，并于餐后2小时后开展测试，以排除食物特殊动力作用。测试时要求受试者在室温稳定的测试场地先静坐15 min，然后测试人员为其佩戴Cortex 3B进行安静平卧15 min的静息能耗测试，通过仪器配套软件实时监测和记录受试者O2量（ml/min）和CO2量（ml/min），最后根据Weir[25]公式计算静息能耗。

1.2.6 饮食控制

饮食方案由专业营养师制定，受试者每日饮食摄入的热量依据静息能耗确定。一日三餐的热量分配比例约为3∶4∶3，每餐碳水化合物、蛋白质、脂肪供能比例分别占当餐摄入总能量的55%～65%、10%～15%、

20%～35%[26]。

1.2.7 统计学分析

连续型变量采用均值±标准差（x±s）表示，性别分布采用相对比表示。分析前对数据进行正态性检验，若数据不符合正态分布，则选用非参数检验方法进行分析。根据三分位数法，将在营期间每日MVPA活动量（min/d）划为分Q1组（n=19）、Q2组（n=19）、Q3组（n=18），分别对应低、中、高运动剂量组。各组受试者性别分布的比较采用卡方检验；组内干预前后心肺适能的比较采用配对样本t检验；心肺适能的改善效果采用“△VO2max”表示，计算方式为干预后与干预前VO2max值之差；组间心肺适能改善效果的比较采用单因素方差法，事后比较采用Bonferroni法，使用线性趋势检验分析各组心肺适能改善效果的变化趋势；采用线性回归探讨MVPA量每增加1单位与心肺适能改善效果的剂量-效应关系；采用限制性立方样条（restricted cubic spline，RCS）模型探讨校正了年龄、性别、BMI等混杂因素后，每日MVPA量与心肺适能改善效果之间是否存在非线性关系，若存在非线性关系，则采用分段线性回归模型。数据分析及限制性立方样条图的绘制采用SPSS 24.0和基于R语言4.1.0版本的Rstudio软件。P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 受试者基本情况

有9名受试者因在4周干预过程中出席天数占总训练天数的比例低于80%或未能完成20 m往返跑测试而被排除出统计分析。最终共56名受试者被纳入统计分析，其中男生29名，女生27名。Q1～Q3组受试者的年龄、身高、体重、BMI、静息能耗等数据在基线状态均无显著差异（P＞0.05）（表1）。

表1 受试者基本情况

2.2 不同身体活动剂量组干预前后身体形态及心肺适能变化比较

t检验结果显示（表2），4周干预后总体的体重、BMI、VO2max等指标均较干预前显著改善（P＜0.01），Q1～Q3组干预后的VO2max均较干预前显著提升（P＜0.01）。单因素方差分析结果显示（表2），Q1～Q3组间的△体重和DBMI差异显著；Q1～Q3组的△VO2max组间差异显著（P＜0.01），趋势性检验差异显著（P＜0.01）；进一步事后比较发现，Q2组与Q1组之间、Q3组与Q1组之间的△VO2max均存在显著差异（P＜0.05），Q3与Q1组间△体重和△BMI差异显著（P＜0.05）。

表2 不同身体活动剂量组干预前后身体形态及心肺适能变化

2.3 MVPA量与心肺适能改善效果的剂量-效应关系分析

线性回归分析结果显示（表3），MVPA量每增加1 min/d，△VO2max增 加0.04 ml/kg/min（95%CI：0.008，0.065）。校正年龄、性别、基线BMI、基线VO2max后，MVPA量 每 增 加1 min/d，△VO2max增 加0.04 ml/kg/min（95%CI：0.008，0.070）。

表3 MVPA量与心肺适能改善效果的剂量-效应关系分析

2.4 MVPA量与心肺适能改善效果的阈值效应分析

MVPA量与肥胖儿童青少年心肺适能改善效果的剂量-效应关系中存在非线性关系（P-Nonlinear＜0.05）（图1）。当MVPA≤98.9 min/d时，△VO2max随着MVPA量增加而快速增加，MVPA量每增加1 min/d，△VO2max增加0.11 ml/kg/min（95%CI：0.032，0.180）；校正年龄、性别、基线BMI、基线VO2max后，MVPA量每增加1 min/d，△VO2max增加0.11 ml/kg/min（95%CI：0.052，0.166）（表4）。当MVPA＞98.9 min/d时，MVPA量与△VO2max的剂量-效应关系不显著（P＞0.05），图中对应区间的曲线甚至呈现下降的趋势。

表4 MVPA量与心肺适能改善效果的阈值效应分析

图1 MVPA量与心肺适能改善效果的阈值效应关系图

3 讨论

本研究结果显示，在一定范围内（MVPA≤98.9 min/d），MVPA量与肥胖儿童青少年心肺适能改善效果之间存在显著的剂量-效应关系，即随着MVPA量的增加，肥胖儿童青少年心肺适能改善效果越好。而当MVPA＞98.9 min/d时，MVPA量的增加并不会显著增加心肺适能的改善效果，反而会限制心肺适能的改善。这说明MVPA量与肥胖青少年的心肺适能改善效应间存在显著的非线性剂量-效应关系和阈值效应。

Wisnieski等[27]在一项横断面研究中发现，MVPA的增加可以显著提升女性儿童青少年的心肺适能。Vasconcellos等[28]发现，身体活动不仅可以对身体成分、肌肉力量、血压等指标产生积极影响，而且可以改善肥胖儿童青少年的心肺适能。与既往研究类似，本研究发现，经过4周不同MVPA时间的运动干预后，肥胖儿童青少年的心肺适能水平均得到显著改善，Q2、Q3组相较低身体活动剂量的Q1组心肺适能改善效果更明显，这提示MVPA量与心肺适能改善效果之间存在剂量-效应关系趋势。

为了验证身体活动与健康改善之间的剂量-效应关系，学者们针对不同群体开展了大量研究。Nevill等[29]研究发现，儿童青少年自我报告身体活动量与VO2max之间存在剂量-效应关系，更高的身体活动量对应着更高的VO2max。Edwards等[30]发现MVPA量与动脉粥样硬化指数间存在负向的剂量-效应关系，随着MVPA量的增加，动脉粥样硬化指数不断下降。Stoner等[31]在一项纳入了16篇文献的Meta分析中发现，肥胖儿童青少年身体活动量每增加1 MET-h/week，BMI和体重分别下降0.13 kg/m2和0.33 kg。与上述研究类似，本研究发现MVPA量与肥胖儿童青少年心肺适能改善效果之间存在显著的剂量-效应关系。值得注意的是，一些学者发现剂量-效应关系并不完全都是线性的，可能存在非线性关系及阈值效应。全明辉等[11]发现，当每日累计MVPA超过65 min后，MVPA时间的增加并不能增加男童达到高体质健康水平的比率，MVPA与男童达到高体质健康水平的比率之间存在非线性关系与阈值效应。Sriram等[32]研究了12～19岁儿童青少年客观测定的身体活动量与心血管代谢健康之间的剂量-效应关系后发现，身体活动量与BMI、收缩压（systolic blood pressure，SBP）、VO2max等指标之间的剂量-效应关系都存在阈值效应，如当男性身体活动量超过150 min/week后，VO2max并不会随着身体活动量增加而进一步增加。本研究使用限制性立方样条模型探讨MVPA量与肥胖儿童青少年心肺适能改善效果之间的非线性关系，此方法广泛地被各国学者应用于剂量-效应关系问题的分析中[33-35]。限制性立方样条的结果显示，MVPA量与肥胖儿童青少年心肺适能改善效果的剂量-效应关系中存在显著的非线性及阈值效应，当MVPA＞98.9 min/d时，MVPA量的增加并不能进一步提升心肺适能的改善效果。与既往采用横断面的研究设计只能分析身体活动量与心肺适能间的相关关系不同，本研究采用干预前后自身对照的纵向设计，分析了MVPA量与心肺适能改善效果间的数量依存关系，并确定了MVPA量与肥胖儿童青少年心肺适能改善效果间剂量-效应关系的阈值点。除此之外，先前类似研究针对的群体并非为肥胖儿童青少年，其研究结果并不一定适用于肥胖儿童青少年，因此本研究对肥胖儿童青少年的运动开展具有更强的理论及现实指导意义。综上所述，身体活动可以显著改善肥胖儿童青少年的心肺适能，并且在一定范围内MVPA量的增加可以带来更大的心肺适能改善效果，但改善效果在MVPA量超过98.9 min/d后不再增加。

本研究在肥胖儿童青少年群体中探讨中高强度身体活动量与心肺适能改善效果间的剂量-效应关系，纵向研究的设计与以往横断面研究中探讨剂量-效应关系的实验设计不同，避免了无法探讨身体活动量与心肺适能改善效果间数量依存关系的不足。此外，本研究使用了限制性立方样条分析身体活动量与心肺适能改善效果之间的剂量-效应关系，避免了以往在部分剂量-效应关系的研究中仅靠肉眼观察图形判断是否存在非线性关系及简单线性回归无法探讨非线性关系的缺点，更科学，更贴近真实情况。本研究虽然在实验设计及方法上尽可能地加强了研究的科学性与可靠性，但受到客观条件的限制仍然存在不足之处，比如因肥胖儿童青少年受试者较难招募而限制了样本量的进一步扩大；干预周期4周不能对比每个月的心肺适能改善效果，这些均有待后续研究进一步完善加强。

4 结论

MVPA量与肥胖儿童青少年心肺适能改善效果间存在非线性的剂量-效应关系和阈值效应。在一定范围内，MVPA量与心肺适能改善效果存在量化关系，增加MVPA量可带来更高的心肺适能改善效果；但当MVPA量超过98.9 min/d时，心肺适能的改善效率会下降。