最大摄氧量测量设备研究现状与展望

饶志坚 尚文元 李祥臣 赵杰修

1 国家体育总局体育科学研究所（北京 100061）

2 上海师范大学体育学院（上海 200234）

最大摄氧量（VO2max）是指大强度运动时机体能利用的最大氧气量，通常以ml/kg/min 为单位。最大摄氧量可在一定程度上反映受试者的耐力运动能力。除此之外，最大摄氧量是制定运动方案时常用的强度指标，一般以最大摄氧量百分比来表示，如运动强度为75% VO2max。最大摄氧量受遗传因素的影响较大[1]，在运动员选材过程中检测该指标有重要意义。最大摄氧量也可以反映心肺功能，而心肺功能被证实是全因死亡和疾病特异性死亡率的独立预测因子[2]，因此，美国心脏协会将最大摄氧量作为人体第五大生命特征[3]。总之，最大摄氧量可用于评估心血管疾病，评价训练效果、运动能力和身体机能状态，同时也用于运动员选材，在运动实践和临床上测量最大摄氧量有重要应用意义。

最大摄氧量的测量方法主要包括间接测试法和直接测试法，其中间接测试结果不如直接测试精确。直接测试通常要进行递增负荷运动实验，该实验通常包括6～15 分钟的骑自行车、跑步或划船，并增加坡度、速度或阻力，直到受试者疲劳为止，此时受试者接近最大心率，因而可认定为“最大限度”状态，故此时受试者的摄氧量达到最大，即为最大摄氧量。可见，受试者是否运动至力竭是最大摄氧量测试的重要影响因素，因此需要采用客观指标来判断，判断标准主要包括以下几个方面[4]：1）出现摄氧量平台；2）心率；3）呼吸商；4）主观疲劳感觉；5）血乳酸浓度。然而，目前尚没有统一的判断标准值，文献报道常用的标准值见表1。

表1 文献报道的达到最大摄氧量的判断标准[4]

准确测量人体最大摄氧量是一项很有挑战性的工作，研究人员设计出最大摄氧量设备来完成该工作。测量最大摄氧量的难点是如何准确地实时测量出摄入和呼出气体中的氧气量，为此，最大摄氧量测试设备最初采用气袋收集气体后利用化学分析法分析气体中的氧气浓度，再计算机体消耗的氧气量，后来采用实时连续监测呼吸内氧气浓度的变化。本文通过在PubMed、Wed of Science、EMBASE、EBSCO 和CNKI 数据库进行文献检索，综述最大摄氧量测试设备的发展过程和研究现状，总结其发展特征，为国内最大摄氧量测试技术运用及发展提供参考。

1 最大摄氧量测量设备的工作原理

最大摄氧量测量设备是直接测定最大强度运动状态下机体单位时间内摄入的氧量，一般用摄入气体中的氧量减去呼出气体中的氧量[5]。最大摄氧量测量设备通过采集呼吸气体，并分析气体的气量及气体中的氧气浓度，最终计算出机体的摄氧量，即摄氧量=（吸气量×吸气氧浓度）-（呼气量×呼气氧浓度）[5，6]。因此，最大摄氧量测量设备配有气体采集器、氧气浓度检测器、气体量检测器以及信号分析系统（分析气体检测信号，并计算出摄氧量）[7]。最大摄氧量测量设备采集气体的技术主要有三种：道格拉斯气袋技术、混合室技术和每口呼吸技术。不同的气体采集技术对气体检测器的要求不同，且摄氧量的计算方法也有所不同，最终影响最大摄氧量测试设备的便携程度、操作难易程度和应用场景多样化程度。下文将结合不同的气体采集技术介绍最大摄氧量测试设备的发展过程。

2 道格拉斯气袋技术（Douglas bag，DB）

最早研究运动过程中摄氧量变化的是Krogh，1913年Krogh等[8]采用肺泡采样及化学气体分析法研究了运动开始后早期摄氧量的变化，结果显示运动后摄氧量不是突然增加，而是逐渐增加的，且增加速率较快。1922 年，Hill 等[5]采用道格拉斯气袋技术测试了跑步时的摄氧量，受试者的呼出气经过三通单向阀全部收集到道格拉斯气袋中，每隔一定时间（30 s或1 min）更换一个气袋，收集完气体后用化学分析的方法分析气袋中的氧和二氧化碳的浓度和含量（图1）。最早采用哈尔丹空气分析器[9]对收集到的气体进行分析，耗时12～15 min 可得到结果。1958 年，Lloyd[10]对哈尔丹空气分析器进行了改良（即，劳埃德-哈尔丹空气分析器），两者精度相似，且改良后的仪器更容易维护、清洁，3～4 min 可得到测试结果。1962 年，Cotes 等[11]报道采用Scholander 微量呼吸分析器分析气体的结果与哈尔丹、劳埃德-哈尔丹空气分析器分析气体得到的结果相似。Scholander 微量呼吸分析器是Scholander[12]发明的，该仪器仅需0.5 ml气体就可以进行分析，且操作简便。至今，道格拉斯气袋技术仍然是检测最大摄氧量的金标准，很多设备测量最大摄氧量的准确性都是与道格拉斯气袋技术相比[13-16]。

图1 Hill等（1922年）采用道格拉斯气袋进行测试[5]

3 混合室技术（mixing chambers，MC）

早在1928 年，Bock 等[17]在受试者运动过程中分别从肺活量计上游的一个8 L 混合室及肺活量计中采集气体样本，经测量后显示两种气体样本中CO2和O2的浓度均一致。因此，他们提出混合室可能适合测量运动过程中的摄氧量，因为运动过程中需要频繁采集样本来跟踪状态的变化。然而，这一观点后来被证实有一定的局限性。随着技术的发展，混合室被当作弥补传统道格拉斯气袋技术缺陷的一种手段（运动时非稳定状态）：它体积小、内部结构便于在短时间内混合呼出气体，采用较新的气体分析技术替代传统化学分析技术来快速跟踪CO2和O2的变化，且用快速流量传感器取代了之前的设备（如干气表）。Wilmore[18]等在1974 年发明了半自动混合室技术，又于1976 年推出更先进的全自动实时混合室技术[19]，在监测运动期间的呼气量及混合呼出气体浓度方面，该技术比传统气袋收集技术更优越。当代混合室技术中，受试者通过双向呼吸阀呼吸，通常用带鼻夹的咬嘴或可覆盖嘴和鼻的面罩。因此，吸气和呼气的气流是分开的，呼出的气体导向混合室（体积一般为5～15 L）。采用混合室下游的快速响应分析仪测得的体积加权平均CO2和O2浓度，与传统气袋收集法获得的结果相同。呼气量信号可通过置于混合室下游的快速响应流量或体积传感器测得。这些信号在微处理器或计算机中进行处理，处理过程中通常将呼气量、呼气平均O2浓度和呼气平均CO2浓度作为固定连续时间间隔（如15 s 或30 s）内的值，进而计算摄氧量和CO2排出量。

20 世纪90 年代，研究人员注意到混合室法测量呼出气体浓度过程中最后测得的结果是整个混合室气体的平均浓度，因此，没有必要收集所有呼出的气体，只要按比例抽取呼出气体混合后分析即可，这种方法被称为比例采样法[20]。此时用到的混合室通常较小，称为微型混合室。微型混合室按比例抽取气体需要一个动态抽气泵，根据呼出气体的流速变化而变化，因此很难做到完全按比例采样。比例采样法的好处是，每次呼吸只有小部分的“代表性”样本在微型混合室中被收集和分析，这避免了采用大型混合室收集呼出气体，可以去除复杂的呼吸管道和呼吸阀，从闭合模式发展为开放模式。1994 年Cosmed 推出K4RQ，该设备应用了一个新的技术：智能比例采样技术，并申请了专利[21]。这种技术可根据呼出气体的体积来调节混合室的大小，他们也称之为动态混合室技术。Cosmed K4RQ 将一定比例的呼出气体导入一个动态混合室，并将几次呼吸平均起来，以确定呼出气体中的O2和CO2浓度，然后将其用于计算摄氧量。采用混合室技术的代表性设备如图2所示。

图2 混合室技术

混合室采用的摄氧量算法：摄氧量=（吸气量×吸气氧浓度）-（呼气量×呼气氧浓度），其中吸气氧浓度需经过测量而不是默认值。吸气量通常不测量，而是通过呼气量进行计算，计算原理是根据呼气和吸气中的N2含量相等，因此，吸气量=呼气量×呼气N2浓度/吸气N2浓度。通常来说N2浓度是不测量的，但是我们假设呼吸的气体中仅含O2、CO2和N2，吸气N2浓度=1-吸气氧浓度-吸气CO2浓度，呼气N2浓度=1-呼气氧浓度-呼气CO2浓度。因此，摄氧量=呼气量×（吸气氧浓度×呼气N2浓度/吸气N2浓度-呼气氧浓度）[19]。然而，上述气体在代谢环境下是标准温度和压强下的干气体（pH2O=0，0°C，760 mmHg），实际上肺中气体含有水蒸汽（37°C 时pH2O=47 mmHg）且有一定的温度和压强（37°C，760～747 或713 mmHg）。因此，这些影响因素需在计算机中进行必要的矫正。此外，还应对运输延迟及设备的死腔（无效腔）进行矫正。

4 实时连续/每口呼吸技术（breath by breath，BBB）

传统道格拉斯气袋技术和混合室技术都依赖于在相对较长时间段内单次测量平均混合呼气中的O2和CO2，从而计算摄氧量和CO2排出量。1964 年，Naimark等[24]首次提出了连续测量运动中的通气交换率，即BBB技术。然而，由于当时没有可靠的快速响应O2分析仪，只能通过快速响应气体分析仪测量潮气末CO2和N2浓度来算出氧气交换率。1966 年，Auchincloss 等[25]采用手动循环的吸气和呼气相位定时肺活量测定法（通过串联的麻醉袋对混合气体进行连续采样），即通过BBB技术来评估运动中肺泡氧交换，他们也第一次提出了肺泡气储量的修正算法。1982年，Whipp[26]研究了运动时通气量和气体交换动力学，发现运动开始后通气量和摄氧量是突然变化的，并非稳定不变，直到进入稳定运动状态后通气量和摄氧量才趋于稳定。BBB 技术可测量呼吸内（单个呼吸周期）气体浓度的变化信息，因此，可及时了解运动非稳定时期机体氧摄取的动力学变化。此后，BBB 技术逐渐成为最大摄氧量测试的主流技术（图3）。

图3 BBB技术

BBB 技术将测量周期限制在最短的生理意义间隔（呼吸内），通过连续采集呼吸内的信号（采集频率至少为极限运动时呼吸频率的2 倍以上，研究发现极限运动时呼吸时间为0.04 s，因此信号采集频率通常为50～100 Hz），假设一次呼吸用时1 s，则在该次呼吸内要进行100 次采样，对这些采样信号进行积分计算后得出呼吸内呼吸流量和气体浓度。可见BBB 极大地提高了时间响应分辨率，因此，BBB 技术需要传感器、微处理器和计算机具有足够快速、可靠的动态响应特征，以确保准确的在线数据采集和处理。

BBB 技术采用的摄氧量算法：通过连续实时对单次呼气内的呼出气体进行信号采集，即相当于信号被连续“切片”，然后对平均体积和气体浓度进行交叉相乘以使每个“切片”中都包含O2和CO2体积，根据这些完整的呼气总和来计算摄氧量和二氧化碳排出量。也就是说，每个取样间隔内（delta time，Dt）累积的O2和CO2体积为该时间间隔内瞬时呼吸浓度和呼气量。计算公式为：呼气含氧量=S（呼气氧浓度×呼气量×Dt），摄氧量=（吸气量×吸气氧浓度）-S（呼气氧浓度×呼气量×Dt）×呼吸频率。其中，如前文所述，吸气量是通过呼气量派生而来。

BBB 技术克服了气袋收集和混合室法（不包括微型气室）的许多不足（如，需要呼吸阀和管道将呼气导入收集袋和混合室，从而增加了无效腔和阻力；数据采集频率低等），但BBB 技术测量的准确度受到以下几个因素的影响：传感器性能和仪器无效腔、肺泡气体存储、pH2O及流量与气体浓度信号的校准。因此，BBB技术存在以下不足：1）BBB 技术采用了带有噪音的瞬时O2、CO2和流量信号，最后导致摄氧量信号噪音；2）O2、CO2和流量信号存在时间偏差；3）O2的微小误差经计算后会放大摄氧量的误差（约50 倍）；4）在流量变化较大的点进行气体取样会导致流向传感器的流量不稳定；5）运动时肺部振动产生的气流会增加BBB 技术中的噪音。

BBB 技术的优势在于可以连续实时快速记录气体的变化，这也导致采集信号时会有很多噪音，并对后续计算结果产生显著影响。以下两个策略有助于降低BBB 技术的噪音：1）让受试者熟悉实验程序；2）实验后进行数据编辑，以消除吞咽、咳嗽等因素引起的呼吸变化。数据编辑也有很多方法，如Lamarra 等[29]去除与均值差异大于±3 倍标准差的数据（后来扩展到±4 倍标准差），此外，还可以对BBB 技术中的数据进行数据平均（根据测试目的不同，采用的平均方法也不同，本文对此不做阐述）。BBB 技术采集的噪声不仅会损害摄氧量动力学响应的技术线性研究，还会在计算摄氧量和CO2排出量的过程中产生更大的误差。因此，测量稳定运动状态下的最大摄氧量时混合室技术可能比BBB 技术更有优势。混合室技术和BBB 技术的优缺点比较如表2 所示。简而言之，混合室技术比较简单、数据量小，且需要的分析软件相对简单，数据也比较准确。BBB 技术优点在于可检测非稳定运动状态下摄氧量的瞬时变化，缺点在于误差相对较大。

表2 混合室技术和每口呼吸技术的优缺点

为了方便研究人员根据情况不同选择不同的测试模式，有些设备兼备BBB 和MC 两种技术，其中Cosmed K5 是第一个采用这种设计的便携式设备，其设计图如图4 所示，他们命名为“智能双代谢采样技术（Intelligent Dual Metabolic Sampling Technology）”，包括BBB和DMC（动态混合室）两种测试模式，研究表明测量运动员最大摄氧量采用DMC 模式更为可靠[30]。此前也有实验室设备兼有两种技术，如Quark CPET、VISTA-mini CPX/MX。除了Quark CPET采用了大型混合室，其他双系统设备均采用了微型混合室（比例采样法）。

图4 Cosmed 5的“智能双代谢采样技术”，引自Cosmed官网[23]

5 最大摄氧量测量设备的发展特点

5.1 设备硬件不断优化

为了提高最大摄氧量设备的准确度，在发展过程中设备的硬件一直在更新换代，最大摄氧量设备对比情况如表3所示。

表3 部分最大摄氧量设备对比

流量传感器从经典的气流测速器（气流流经加热的低电阻元件时压强下降，根据泊肃叶定律算出气体流量，该传感器受气体粘度影响），到皮托管（也称空速管，该传感器受气体密度影响），再到热线式流量传感器（该传感器受气体密度影响），再到广为应用的涡轮传感器（原理为涡轮叶片旋转次数与气流体积成正比，该传感器相对不受气体粘度和密度影响）。涡轮流量传感器中叶片角动量会引起通风信号误差（主要是叶片滞后效应），这一误差问题在BBB 技术中比在混合室技术中更显著。最新的几款设备采用了压差式流量传感器，如VO2Master Pro analyzer（VO2Master Health Sensors，加拿大）[28]；孔板式流量传感器（也是采用压差原理），如CardioCoach Pro/PLUS/MAX（KORR，美国）[31]；还有热膜风速传感器，如PNOE（PNOE Analytics，加拿大）[32]；以及数字体积传感器，如Vyntus CPX（Carefusion，德国）[33]。

氧浓度分析仪从最开始的化学分析法到后来的氧传感器法，氧传感器用得最多的是电化学氧传感器，当然也有设备采用顺磁氧传感器。BBB 技术对氧传感器响应速度的要求较高，因为它需要非常精确地匹配通气流量信号与气体浓度信号，但是两者之间存在运输延迟。此外，信号校准也会影响气体流量信号和气体浓度信号的精确匹配。因此，除了加快分析仪的响应速度，算法校准对于BBB技术而言也至关重要，因为误差可能会影响校准过程，从而在计算摄氧量中产生更加显著的误差（尤其是在高呼吸频率下，此误差是BBB技术测量最大摄氧量时最大的误差来源）。

此外，采样管中使用蠕动泵通常会产生不恒定的流量，这可能会加剧传感器的延时错误，因此，最近的BBB 技术采用了改进的恒定流量泵技术。仪器死腔也会影响最大摄氧量的准确性，因此，最大摄氧量设备发展过程中仪器死腔也在逐步减小。仪器死腔在混合室技术中的影响更显著，BBB 技术受仪器死腔影响较小。早期BBB 技术受限于呼吸速度测量计需采用非重吸入式气阀，导致漏气风险，因此需要进行算法修正。现在BBB 技术采用的流量传感器可双向工作，仪器死腔约20～30 ml，仍有影响气体浓度的风险，需就此进行一定的算法修正。

5.2 设备使用便携化

早期最大摄氧量设备只能固定在实验室中使用，后来涌现出一些“可移动”设备，如Cosmed Fitmate、Cortex Metalyzer 和Korr Cardiocoach 等，这些设备可以在室内进行移动，但是无法穿戴在受试者身上。虽然1906 年Zuntz[34]发明了第一个便携式气体分析仪（图5左），但该仪器比较笨重，显然不适用于检测最大摄氧量（且此时尚未提出最大摄氧量的概念）。1940 年Kofranyi 等[35]对Zuntz 的设备进行了改进，但仍重3.4 kg。随着氧电极的应用，发明出便携式设备如Cosmed K2[36]（图5 中），设备重量约1 kg。1994 年Cosmed 推出的K4/K4RQ 采用电化学氧传感器替代原来的氧电极，仍然采用混合室技术测量最大摄氧量[37]。1998 年Cosmed 推出的K4b2是第一个采用BBB 技术的商业化便携式最大摄氧量测试设备[38]。之后的便携式最大摄氧量设备几乎都采用了相同的策略，虽然是便携式的（可以穿戴在受试者身上），重量也减少到1 kg 以下（800～900 g），但仍然需要一根采样管连接呼吸面罩和分析仪。

图5 便携式最大摄氧量设备的演变

2016 年，美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的一些发明也声称将用于便携代谢分析仪（portable unit for metabolic analysis，PUMA），该设备将采用超声流量传感器、钌基荧光氧传感器和LED 红外及其它温度、压力、心率传感器，所有传感器均装备在特殊头盔上，通过蓝牙连接电脑（图5 右），但是该设备至今尚未面世[39]。VO2Master Health Sensors 公司推出的VO2Master Pro 将所有传感器镶嵌在呼吸面罩内，通过蓝牙连接移动设备实时检测摄氧量变化，实现了真正意义上的可穿戴设备[40]（图3右）。

5.3 设备依托操作平台简易化

传感器收集到的信号需要经过微处理器或计算机进行处理，处理后的数据仍要借助于计算机进行分析并进行可视化，各大设备公司也都推出了自己的分析软件，这些软件几乎都是基于电脑端的。后来有些设备采集的数据可以在平板电脑中进行分析和可视化，如Cosmed K5。近些年来，有些设备可在移动端（手机和智能手表）上进行分析和可视化，如VO2Master Pro和PNOE 等，而且研究证实这些设备测得的数据可靠性较好[40，42]。

5.4 设备使用场景多样化

早期最大摄氧量设备仅适用于自行车、跑步机等固定设备上。后来，随着可穿戴设备的发明，这些设备逐渐可应用于田径场、户外、雪地、水上、空中等运动场景，极大地丰富了最大摄氧量应用场景，同时也提高了不同专项运动员最大摄氧量的准确性。近几年，升级版的最大摄氧量设备（如Metamax 3b）可被用于游泳池中来检测运动员游泳运动时的最大摄氧量。

6 总结与展望

6.1 总结

自20 世纪20 年代Hill 等提出最大摄氧量的概念以来，为准确测量出最大摄氧量，近百年来研究人员不断优化测量最大摄氧量的设备。总而言之，最大摄氧量测量设备发展主要包括以下几点：第一，从气体采集设计方面来看，最大摄氧量设备从早期的气袋收集法发展到混合室技术（包括闭合模式和开放模式），再到BBB 技术，以及混合室+BBB 双模式；第二，最大摄氧量测量与评价设备的革新主要受益于硬件设备上的突破，包括传感器的响应速度变快、芯片处理数据能力增强等；第三，除了硬件外，“软件”上的发展也推动测量技术前进，主要表现为算法的完善、操作平台的简化等；第四，设备使用场景多样化，促进了不同专项运动员最大摄氧量测量的准确性。

6.2 展望

现在主流的最大摄氧量设备采用的气体采集设计是BBB 技术，BBB 技术虽然可以连续实时检测呼出气体的浓度，但是BBB 技术由于采集信号的噪音及通气量和气体浓度不匹配等原因导致测试结果误差偏大，尤其是在剧烈运动时，当呼吸频率超过60 次/min 会导致更大的误差。混合室技术虽然在测定稳定状态时所得结果比较准确，但是不能实时监测运动时的动态变化。动态混合室虽然根据呼出气体流量可改变混合室大小，但它本质上还是平均几次呼吸的值，没有实时监测气体浓度的变化。虽然现在有设备兼容两种技术，但是测试时还是只能选择一种技术模式，没有从根本上解决问题。今后如果能实时将混合室大小调节到与每口呼出气体流量相等，且能快速实时分析气体浓度，则能整合BBB 和混合室两种技术的优点，从理论上说没有测量误差，这可能是未来突破的方向。此外，将所有硬件一体化全部置于面罩中（摒弃采样管），采用移动端无线接收信号并进行可视化也是未来发展方向之一。

最大摄氧量在临床、体育科研等领域的应用具有重要意义，急需自主创新，掌握关键核心技术。今后我国最大摄氧量测量与评价设备可从以下几方面深入发展：（1）深入研发设备的软、硬件，主要包括氧气和流量传感器、分析软件、减小测量误差的算法等；（2）优化BBB 技术，减小测量误差；（3）研发一体化的测量设备和移动端的分析软件。