11~16歲肥胖青少年體力活動(dòng)耗氧量推算方法實(shí)驗(yàn)研究

李海燕 陳佩杰 莊潔

上海體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)科學(xué)學(xué)院（上海 200438）

肥胖是一種營養(yǎng)障礙性疾病，對(duì)兒童青少年的生長發(fā)育，心理、體質(zhì)等方面均有不良影響，而且肥胖人群高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化、代謝綜合征、成年后肥胖等患病率明顯高于體重正常者［1，2］。McGovern等的研究表明，體力活動(dòng)能夠降低體脂肪含量［3］，效果與體力活動(dòng)水平有關(guān)［4］。測(cè)量體力活動(dòng)能量消耗是制定膳食營養(yǎng)計(jì)劃的基礎(chǔ)，也是評(píng)定運(yùn)動(dòng)量的一個(gè)重要指標(biāo)，是科學(xué)制定減肥運(yùn)動(dòng)處方的基礎(chǔ)。目前關(guān)于兒童青少年肥胖的研究多集中于發(fā)病機(jī)制、流行現(xiàn)狀、肥胖與健康的關(guān)系、運(yùn)動(dòng)減肥效果等方面，而在能量消耗測(cè)量評(píng)價(jià)方面的研究報(bào)道較少。

測(cè)量兒童體力活動(dòng)能量消耗的常用方法有直接測(cè)熱法、間接測(cè)熱法、雙標(biāo)水法、心率監(jiān)測(cè)法、傳感器以及直接觀察法等［5］，其中，雙標(biāo)水法被認(rèn)為是測(cè)量長時(shí)間體力活動(dòng)能量消耗的“金標(biāo)準(zhǔn)”［6］，間接測(cè)熱法是測(cè)量短時(shí)間體力活動(dòng)能耗的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但是這兩種方法操作復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)昂貴，受試者配合具有一定難度，限制了其應(yīng)用范圍，一般用于小規(guī)模的測(cè)試和驗(yàn)證其他方法的有效性和可靠性［7］。在實(shí)際運(yùn)用中，心率是最容易測(cè)量的生理學(xué)指標(biāo)，且對(duì)受試者活動(dòng)影響最小，怎樣通過心率監(jiān)控來測(cè)量體力活動(dòng)能耗是學(xué)者們所關(guān)注的問題。

耗氧量與熱量產(chǎn)生二者之間具有恒量關(guān)系，通過測(cè)量體力活動(dòng)的耗氧量即能推測(cè)出能量消耗［8］。因心率與耗氧量在亞極量運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)呈線性關(guān)系［9］，根據(jù)Fin原理，耗氧量=心率×每搏輸出量×動(dòng)靜脈氧差。心臟排血量是影響耗氧量的主要中樞機(jī)制，肌肉利用氧的能力是重要的外周機(jī)制［10］，瘦體重通常用來反映人體肌肉量，故本研究采用多水平線性模型分析方法，以負(fù)荷心率和痩體重為自變量建立推算耗氧量的多元回歸方程，期望為肥胖青少年能量消耗的測(cè)量提供準(zhǔn)確、簡(jiǎn)易可行的方法。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

根據(jù)“中國學(xué)齡兒童超重、肥胖Bmi篩查分類參考標(biāo)準(zhǔn)”［11］選取11～16歲年齡段的肥胖青少年60名，隨機(jī)分為公式組（40名）和回代驗(yàn)證組（20名），每組男女各半。實(shí)驗(yàn)對(duì)象來自于上海體育學(xué)院巔峰運(yùn)動(dòng)減肥中心。告知受試者家長實(shí)驗(yàn)測(cè)試有關(guān)事宜，并簽署知情同意書。填寫身體狀況安全問卷，以充分保障測(cè)試的安全性。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 一般情況測(cè)量

上海光電醫(yī)用電子儀器有限公司產(chǎn)ECG-6951型心電圖機(jī)對(duì)每一位受試者進(jìn)行安靜心電圖檢查，電子肺活量計(jì)測(cè)量肺活量，軟帶尺測(cè)量胸圍。采用日本產(chǎn)型號(hào)為TBF-215的TANITA Body體成分儀測(cè)量身高、體重、體脂百分率。根據(jù)公式計(jì)算痩體重=體重（kg）-體重（kg）×體脂百分率。

1.2.2 測(cè)試方案

公式組40名受試者采用逐級(jí)遞增負(fù)荷方法在德國產(chǎn)H/P/COSMOS PULSAR 4.0專業(yè)級(jí)運(yùn)動(dòng)跑臺(tái)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)試。為每一位受試者詳細(xì)講解測(cè)試過程，充分消除其緊張、興奮的情緒后，佩戴芬蘭產(chǎn)750型POLAR遙測(cè)心率儀，佩戴呼吸面罩連接MAX-ⅡPHYSIO-DYNE氣體代謝系統(tǒng)（美國）。在跑臺(tái)上適應(yīng)性走動(dòng)3分鐘后開始測(cè)試，坡 度 為 0， 分 別 以 2km/h、3km/h、4km/h、5km/h、6km/h、7km/h、8km/h的速度進(jìn)行連續(xù)運(yùn)動(dòng)，每級(jí)負(fù)荷2.5分鐘后增加速度，以心率達(dá)到80%HRmax為運(yùn)動(dòng)終止的標(biāo)準(zhǔn)。采用公式［12］（HRmax=208-0.7×年齡）計(jì)算最大心率?；卮?yàn)證組20名受試者采用同樣方法，同期進(jìn)行4km/h、6km/h、8km/h 3個(gè)負(fù)荷的運(yùn)動(dòng)。

采用MAX-Ⅱ PHYSIO-DYNE氣體代謝系統(tǒng)連續(xù)測(cè)量運(yùn)動(dòng)過程中的氣體代謝參數(shù)，包括心率（HR）、耗氧量（VO2）、二氧化碳排出量（VCO2）、呼吸商（RQ）等。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 研究對(duì)象基本情況

所有受試者全部完成測(cè)試，其年齡、身高、體重、體脂百分比等形態(tài)指標(biāo)及安靜心率、肺活量等心肺功能指標(biāo)如表1。公式組男女間身高、體重、胸圍和肺活量差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。其他指標(biāo)無差異，而回代驗(yàn)證組各項(xiàng)指標(biāo)均無差異。

表1 研究對(duì)象年齡和形態(tài)、機(jī)能測(cè)試指標(biāo)

2.2 線性回歸方程自變量的選擇

由表2可見，經(jīng)Pearson相關(guān)分析，不同性別耗氧量均與負(fù)荷后心率的相關(guān)系數(shù)最高，其次是痩體重和體重。男生組還與身高具有相關(guān)性，女生組與胸圍具有相關(guān)性，而與年齡、肺活量、安靜心率不相關(guān)。男生組瘦體重與體重、身高的相關(guān)系數(shù)為 0.897、0.756（P<0.01）、女生組瘦體重與體重、胸圍的相關(guān)系數(shù)為 0.961、0.885（P<0.01）。根據(jù)相關(guān)性結(jié)果分析，最終選擇負(fù)荷心率和瘦體重作為回歸模型自變量。

表2 耗氧量與負(fù)荷心率，身體形態(tài)、機(jī)能指標(biāo)相關(guān)性

2.3 多水平線性模型的斜率、截距分析

在不同運(yùn)動(dòng)負(fù)荷下，以負(fù)荷心率和痩體重為自變量推算耗氧量的隨機(jī)方程與平均水平的固定方程相比，方程斜率、截距均無顯著性差異（P>0.05）。

2.4 多元線性回歸方程統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

建立的多元回歸方程R2男生為0.795，女生為0.75，說明在因變量的變異中，分別有 79.5%和 75%是由自變量引起的。方差分析具有極顯著性（P<0.0001），說明耗氧量與負(fù)荷心率和瘦體重具有直線關(guān)系。Durbin-Watson檢驗(yàn)結(jié)果男生 1.95，女生 2.02，均約等于2，表明誤差項(xiàng)獨(dú)立，回歸模型可靠?；貧w方程自變量系數(shù)及常數(shù)項(xiàng)有極顯著意義（P<0.0001），得回歸方程為：男：耗氧量（m l/min）=20.098×負(fù)荷心率（bmp）+25.160×瘦體重（kg）-2935.835；女：耗氧量（m l/min）=19.863×負(fù)荷心率（bmp）+26.551×瘦體重（kg）-2675.676。

2.5 多元回歸方程的回代檢驗(yàn)

回代驗(yàn)證組耗氧量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差見表3，男生為6.84%～8.72%，女生為6.53%～8.23%。

3 討論

張春華等［13］用建立個(gè)人心率－耗氧量線性關(guān)系的方法，以在校大學(xué)生為研究對(duì)象，進(jìn)行了上海市成人不同體育健身項(xiàng)目能量消耗的研究。本研究參考其方案，采用跑臺(tái)測(cè)試方法，從2km/h的負(fù)荷開始，速度逐級(jí)遞增，同步記錄心率和耗氧量變化來觀察負(fù)荷心率與耗氧量的關(guān)系。因本研究目的是建立運(yùn)動(dòng)的耗氧量推算方程，而適宜的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度通常是70%～80%HRmax，相當(dāng)于55%～75%最大耗氧量［14］，所以將達(dá)到 80%HRmax為運(yùn)動(dòng)方案終止標(biāo)準(zhǔn)。目前，國內(nèi)外研究尚無用于肥胖兒童最大心率的計(jì)算公式，國內(nèi)學(xué)者仍沿用傳統(tǒng)公式（HRmax=220-年齡）制定肥胖兒童運(yùn)動(dòng)處方［15］，而 meta分析表明［12］，公式HRmax=208-0.7×年齡的準(zhǔn)確性優(yōu)于傳統(tǒng)公式，故采用后者計(jì)算最大心率。

兒童少年的最大攝氧量受年齡、性別、體格發(fā)育、功能發(fā)育、遺傳因素等影響［16］。肥胖兒童脂肪過度堆積，心臟負(fù)荷加重，心功能受累，在運(yùn)動(dòng)負(fù)荷下心功能參數(shù)的動(dòng)態(tài)改變與同齡體重正常兒童不同［17］。因此本研究建立的回歸方程按男女不同性別分開，以反映心功能的負(fù)荷心率作為自變量，同時(shí)增加了年齡、安靜心率、肺活量、身高、體重、胸圍等代表個(gè)體心肺功能及體格發(fā)育的指標(biāo)作為入選自變量。有研究表明［18］，青春期VO2max及安靜時(shí)VO2與瘦體重有關(guān)，當(dāng)用體格大小來表示VO2max時(shí)，瘦體重是最合適的指標(biāo)。為更準(zhǔn)確反映肥胖青少年有氧能力，本實(shí)驗(yàn)將痩體重也作為入選自變量。

經(jīng)過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，男生耗氧量與負(fù)荷后心率的相關(guān)系數(shù)為0.807，女生為0.755，具有極顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。身體形態(tài)學(xué)指標(biāo)相關(guān)分析表明，男女生耗氧量均還與瘦體重、體重相關(guān)（P<0.05及P<0.01），瘦體重相關(guān)系數(shù)高于體重，而與身高、胸圍的相關(guān)性不完全相同，這與肌肉利用氧的能力是耗氧量外周影響機(jī)制的理論一致，故最終選擇負(fù)荷心率和瘦體重作為回歸模型自變量。

在不同負(fù)荷水平下心率呈動(dòng)態(tài)變化，是若干單位聚集在不同水平的層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，因此需要判斷不同水平下的心率、痩體重與攝氧量的線性關(guān)系能否用一個(gè)平均方程表示。數(shù)據(jù)多水平統(tǒng)計(jì)模型［19］能夠有效處理這種資料。經(jīng)多水平線性模型分析，男女組在不同負(fù)荷水平下線性方程截距均無差異（P>0.05），負(fù)荷心率與痩體重斜率也無差異。因此，在不同負(fù)荷水平下的多元回歸模型可以用同一模型表示，耗氧量與負(fù)荷水平有關(guān)，而不受負(fù)荷形式影響。

表3 多元回歸方程的回代檢驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)過程中觀察到，部分受試對(duì)象佩戴呼吸面罩后，在安靜狀態(tài)下和以2～3km/h的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，心率出現(xiàn)不同程度增加，而耗氧量增加幅度不明顯，可能與受試者情緒緊張、心肺功能偏弱，佩戴呼吸面罩增加了解剖無效腔后，心血管系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用使心率反射性加快等有關(guān)。

以 4km/h、6km/h、8km/h的速度運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)度分別為3.0MET、4.5MET、8.0MET［20］。根據(jù)美國疾病控制中心（CDC）制定的標(biāo)準(zhǔn)，低于3MET是低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，3～6MET是中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，高于6MET是大強(qiáng)度活動(dòng)［21］。本實(shí)驗(yàn)中，上述三個(gè)速度分別代表中低強(qiáng)度、中等強(qiáng)度、大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行回歸方程的回代驗(yàn)證。男生平均相對(duì)誤差在6.84%～8.72%之間，女生在6.53%～8.23%之間，平均相對(duì)誤差均低于10%。此方程可較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)11~16歲肥胖青少年進(jìn)行中低強(qiáng)度以上步行慢跑的耗氧量。從數(shù)理角度出發(fā)，本實(shí)驗(yàn)可應(yīng)用于不同形式、不同負(fù)荷體力活動(dòng)的耗氧量推算。但在具體應(yīng)用于其他運(yùn)動(dòng)形式時(shí)，仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 總結(jié)

應(yīng)用多水平線性模型分析的方法建立以負(fù)荷心率和瘦體重為自變量預(yù)測(cè)耗氧量的多元回歸方程，能夠較準(zhǔn)確地推算11~16歲肥胖青少年進(jìn)行步行、跑步兩種運(yùn)動(dòng)的耗氧量，但不適用于安靜狀態(tài)和強(qiáng)度低于3MET的活動(dòng)項(xiàng)目耗氧量以及最大攝氧量的推算。

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