心率變異閾：推測超重/肥胖青年女性通氣閾的有效方法

黃傳業(yè) 潘明玲

1 山東體育學(xué)院研究生教育學(xué)院（濟(jì)南250102）

2 山東體育學(xué)院運動與健康學(xué)院（濟(jì)南250102）

通氣閾（ventilatory threshold，VT）是制定適宜運動負(fù)荷/強(qiáng)度，有效提高運動表現(xiàn)，預(yù)防運動損傷和過度訓(xùn)練的關(guān)鍵依據(jù)[1]。在遞增負(fù)荷運動中，根據(jù)通氣水平與攝氧量開始非線性增加的拐點來判定VT，通氣法已成為非創(chuàng)傷性判定無氧閾的“金標(biāo)準(zhǔn)”[2]。然而這種方法需要昂貴的氣體代謝分析儀和經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員。近些年相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，隨著運動強(qiáng)度逐漸增加，交感神經(jīng)興奮性逐漸增強(qiáng)，而副交感神經(jīng)發(fā)生后撤（with?draw）的變化拐點，即心率變異閾（HRVT）[3]，是副交感神經(jīng)興奮占優(yōu)勢向交感神經(jīng)興奮占優(yōu)勢的轉(zhuǎn)折點[4]。

已有研究報道，不同人群HRVT 與VT具有較高一致性[4-6]。HRVT 可能是反映VT 的可靠、簡易方法。然而早期關(guān)于肥胖中年女性的研究中，基于遞增負(fù)荷運動中HRV 高頻功率（high-frequency power，HFP）變化所判定的HRVT 相應(yīng)強(qiáng)度顯著低于VT[7]。盡管安靜狀態(tài)下HFP 主要反映了副交感神經(jīng)興奮性，但是運動引起過度通氣干擾了HFP分析[8]，以及運動等級負(fù)荷等因素可能削弱了肥胖成年女性HRVT 預(yù)測VT 有效性。目前相關(guān)研究資料十分匱乏，有待進(jìn)一步驗證。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)運動接近HRVT時，副交感神經(jīng)對心血管系統(tǒng)仍具有保護(hù)作用，將降低運動風(fēng)險事件發(fā)生[3]。HRVT 可作為低體力活動者、心血管疾病患者安全運動的臨界強(qiáng)度，對于制定個性化運動處方具有指導(dǎo)作用。鑒于HRVT 在運動和康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，本研究通過跑臺遞增運動測試驗證超重/肥胖青年女性HRVT 與VT 的一致性，為HRVT 在運動實踐中推廣應(yīng)用提供方法學(xué)依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 研究對象

根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）關(guān)于亞洲地區(qū)超重/肥胖人群體重指數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)[9，10]，通過海報招募，從濟(jì)南歷城區(qū)選取16 名超重或肥胖青年女子（年齡20.8 ±1.2 歲，身高167.1 ± 6.0 cm，體重71.5 ± 5.6 kg，BMI 25.8 ± 1.4 kg/m2，體脂百分比31.3% ± 1.8%，收縮壓111.2 ± 7.2 mmHg，舒張壓70.8 ± 6.6 mmHg，VO2peak34.4 ± 2.9 ml/kg/min，HRpeak191.4 ± 7.9 beats/min）為研究對象。所有受試者無規(guī)律性體育鍛煉習(xí)慣，無任何呼吸系統(tǒng)疾病、心血管疾病等慢性疾病或臨床癥狀，未服用任何藥物。受試者了解本研究內(nèi)容及實驗流程后，自愿參與本研究并簽署知情同意書。本研究得到了學(xué)校人體與動物運動科學(xué)倫理委員會許可。

1.2 實驗設(shè)計

參考美國運動醫(yī)學(xué)會（ACSM）“健康評價和風(fēng)險評估”方法[11]，制定健康和身體活動問卷，排除各種慢性疾病，篩選無規(guī)律性體育鍛煉者，進(jìn)行一般身體形態(tài)和醫(yī)學(xué)機(jī)能檢查。進(jìn)行預(yù)實驗后，所有受試者均完成一次逐級遞增負(fù)荷跑臺（Pulsar，h/p/cosmos，Germany）運動，確定其攝氧量峰值（VO2peak）、峰值心率（HRpeak）和通氣閾（VT）。采用心率表（Polar RS800cx，Kempele，F(xiàn)in?land）記錄遞增負(fù)荷運動中HR和R-R間期信號。R-R間期信號分析HRV參數(shù)，包括相鄰R-R間期差值的均方根（RMSSD）和非線性分析Poincaré 散點圖短軸參數(shù)SD1。Time-varying 分析運動中RMSSD和SD1時序變化特征判定HRVT。比較受試者VT 與HRVT 對應(yīng)心率（HR）和攝氧量（VO2）結(jié)果一致性。由兩名實驗技術(shù)人員獨立判定VT和HRVT，取平均值進(jìn)行分析；若兩人的判定結(jié)果不一致（差異值＞3%）時，由第三名研究人員進(jìn)行核對判定。

受試者實驗前2天不做任何劇烈運動。運動測試當(dāng)日飲食清淡，不飲用含有咖啡因或酒精類飲料。運動測試前3 h 禁食。所有測試在溫度（26.1°C ± 0.6°C）和濕度（50.5% ± 6.9%）相對恒定的實驗室中進(jìn)行。

1.3 形態(tài)學(xué)測試

采用電子身高體重計（HHTC/ST-300，China）測量受試者身高和體重，體重指數(shù)（BMI）=體重（kg）/身高（m）2。使用歐姆龍體成分分析儀（KaradaScan HBF-371，Japan）測試受試者體脂百分比，受試者在測試前禁食3 h，取兩次測試結(jié)果的平均值。

1.4 運動測試

改良Domingo等[12]研究中跑臺遞增運動方案，測試VO2peak和VT，同時記錄受試者運動中HR和R-R間期信號。起始速度為7 km/h，每分鐘增加0.8 km/h，當(dāng)受試者運動心率達(dá)到90%最大心率預(yù)測值（220-年齡）時，保持速度不變，每1 min 增加0.8%坡度，至受試者無法維持既定跑速為止。采用CORTEX便攜式氣體代謝分析儀（Metamax3B，Biophysik GmbH，Leipzig，Germa?ny），每口氣法分析運動氣體代謝水平。正式使用前，根據(jù)儀器使用說明書對氣體代謝分析儀進(jìn)行壓力、容量和標(biāo)準(zhǔn)氣體校正。VO2peak為每30 s 平均攝氧量（VO2）的最高值。根據(jù)Gaskill等[13]研究，綜合使用等價通氣當(dāng)量、過量CO2和V-slop 三種方法，提高判定VT的準(zhǔn)確性和可信度。同時確定受試者VT 相應(yīng)的心率（VT-HR）和攝氧量（VT-VO2）。

1.5 HRVT判定

Polar RS800cx 心率表記錄遞增負(fù)荷運動中HR 和R-R間期信號，采樣頻率為1000 Hz[12，14]。通過PolarTM?Protrainer 軟件（Polar Electro）下載R-R 間期信號，Ku?biosTMHRV Premium 3.1.0 軟 件（Biomedical Signal Analysis Group of Applied Physics，University of Kuo?pio，F(xiàn)inland）修正偽差后，通過Time-varying HRV 分析遞增負(fù)荷運動中每1 min R-R間期信號[12]。因RMSSD和SD1 主要反映副交感神經(jīng)興奮性，且受呼吸運動影響小[8]，主要根據(jù)RMSSD 和SD1時序變化拐點判定HRVT（圖1和圖2）。RMSSD 判定HRVT（TRMSSD）標(biāo)準(zhǔn)：在相鄰兩個負(fù)荷等級階段，RMSSD值趨于平穩(wěn)，不再顯著性降低的起始拐點即為HRVT[15]。SD1判定HRVT（TSD1）標(biāo)準(zhǔn)：連續(xù)兩個負(fù)荷等級SD1差值低于1 ms，SD1不再發(fā)生顯著性變化的起始拐點即為HRVT[16]。同時分別確定TRMSSD與TSD1相應(yīng)的運動HR（TRMSSD-HR、TSD1-HR）和VO2（TRMSSD-VO2、TSD1- VO2）。

圖1 受試者TRMSSD推算VT示意圖

圖2 受試者TSD1推算VT示意圖

1.6 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 21.0和MedCalc11.4進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布采用Kolmogorov-Smirnov 檢驗。采用單因素重復(fù)測量方差分析比較3種方法結(jié)果的差異性，當(dāng)主效應(yīng)呈顯著性差異時，使用Bonerroni進(jìn)行組間比較分析。采用Pearson 相關(guān)分析兩種測試結(jié)果的相關(guān)性。為了進(jìn)一步驗證HRVT推測VT的有效性，采用Bland-Altman散點圖分析結(jié)果一致性。所有數(shù)據(jù)均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，P＜0.05 為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

所有受試者均完成遞增負(fù)荷運動測試。根據(jù)遞增負(fù)荷運動中RMSSD 和SD1時間變化趨勢，分別判定HRVT 相應(yīng)的HR、%HR2peak、VO2、%VO2peak與VT-HR、VT-%HR2peak、VT-VO2、VT-%VO2peak差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05，表1）。Pearson 相關(guān)分析結(jié)果（表2）表明，HRVT（TRMSSD與TSD1）相應(yīng)的HR、VO2分別與VT-HR、VT-VO2呈正相關(guān)（P＜0.05）。

表1 受試者VT和HRVT對應(yīng)各指標(biāo)均值比較（n=16）

表2 受試者VT與HRVT相應(yīng)的HR、VO2相關(guān)系數(shù)（n=16）

為了進(jìn)一步分析TRMSSD和TSD1推測通氣閾的有效性，采用Bland-Altman 散點圖（圖3～6）分析發(fā)現(xiàn)，測試結(jié)果均值偏差極?。ㄚ吔?），散點介于95%一致性界限（± 1.96s）內(nèi)，表明結(jié)果一致性高。

圖3 VT-HR與TRMSSD-HR散點圖（n=16）

圖4 VT-HR與TSD1-HR散點圖（n=16）

圖6 VT-VO2與TSD1-VO2散點圖（n=16）

3 討論

本研究通過RMSSD 和SD1觀察到，超重/肥胖青年女性副交感神經(jīng)興奮性隨運動強(qiáng)度增加而逐漸降低，運動強(qiáng)度分別接近58.0%VO2peak和57.5%VO2peak時，RMSSD 與SD1趨于平穩(wěn)，不再明顯降低，此變化拐點（HRVT）相應(yīng)運動強(qiáng)度與VT強(qiáng)度高度吻合。結(jié)果支持了Queiroz 等的研究報道：RMSSD、SD1判定的HRVT 與VT 具有較好的一致性，與受試者身體質(zhì)量指數(shù)（BMI）無關(guān)[4]。雖然超重/肥胖個體表現(xiàn)出過高交感神經(jīng)興奮性[17]，但是未能削弱HRVT推測VT的有效性。

與本研究結(jié)果不同，Shibata 等通過HRV高頻功率（HFP）判定肥胖中年女性HRVT，其相應(yīng)運動強(qiáng)度低于VT（P＜0.05）[7]。有研究報道，運動中HFP 受呼吸頻率與潮氣量影響；當(dāng)運動接近VT 時，呼吸頻率增高可導(dǎo)致低估HFP，但RMSSD 和SD1受呼吸運動影響較小[8]。采用不同HRV（時域、頻域或非線性）參數(shù)判定HRVT是造成研究結(jié)果不一致的可能原因。

本研究Bland-Altman散點圖分析結(jié)果提示，HRVT與VT相應(yīng)的HR、VO2具有較高的一致性。然而，Quin?art 等采用每3 min 小負(fù)荷逐級遞增（男15 W，女10 W）功率車運動，基于RMSSD 確定的TRMSSD-HR 與VTHR 高度相關(guān)，但是TRMSSD-HR 與VT-HR 存在較大差異（bias=21.90 beats/min）[18]。運動方案特征不同也可能影響HRVT 推測VT 強(qiáng)度的有效性。本研究采用每1 min 逐級遞增跑臺運動方案，受試者基本在9～12 min內(nèi)完成運動至力竭。在Quinart 等的研究中，每級負(fù)荷運動3 min 可獲得較為穩(wěn)定的R-R 信號，但是相鄰兩級負(fù)荷運動心率增加幅度大（約為15 beats/min）[18]。另外，這種小負(fù)荷遞增負(fù)荷踏車運動持續(xù)時間較長（約25 min運動結(jié)束）[18]，可能引起下肢肌肉過早疲勞以及心理壓力，反而增大判定TRMSSD-HR與VT-HR的不確定性。Cunha等研究似乎進(jìn)一步拓展了上述觀點，該研究設(shè)計了跑步、步行和蹬車3 種個性化遞增負(fù)荷運動方案，均采用每1 min逐級遞增負(fù)荷，遞增運動力竭時間控制在8～12 min，結(jié)果顯示3 種遞增負(fù)荷運動中判定的HRVT與VT均表現(xiàn)較高一致性[19]。如何優(yōu)化運動方案提高HRVT推測VT的效度有待今后深入探討。

在本研究中，超重/肥胖青年女性VT和HRVT出現(xiàn)時間基本吻合現(xiàn)象，可能是運動骨骼肌神經(jīng)代謝（neu?romentabolic）和中樞神經(jīng)系統(tǒng)整合作用的結(jié)果[20]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)運動強(qiáng)度達(dá)到50%～60%VO2peak時，副交感神經(jīng)對HR調(diào)控完全后撤，此時糖酵解速率開始增大并出現(xiàn)乳酸堆積，相應(yīng)地引起通氣量和CO2排出量呈非線性增加，以緩沖代謝酸性物質(zhì)[15]。此外，大強(qiáng)度運動使更多Ⅱ型肌纖維被募集，通過肌肉Ⅲ型和Ⅳ型神經(jīng)纖維（壓力感受器和代謝性感受器）興奮將信息上傳至中樞神經(jīng)系統(tǒng)，反射性引起副交感神經(jīng)興奮性降低，交感神經(jīng)興奮性增加[21]。副交感神經(jīng)后撤致使HRV減小、HR增加，從而引起心輸出量增加，促進(jìn)運動骨骼肌血液重新再分配，以滿足肌肉能量代謝需求[22]。VT 與HRVT出現(xiàn)時間點相吻合的生理學(xué)機(jī)制仍有待進(jìn)一步闡明。

VT-HR 常被用于設(shè)定有氧運動強(qiáng)度。本研究Bland-altmand散點圖分析結(jié)果顯示，超重/肥胖青年女性HRVT 對應(yīng)HR 與VT-HR 均值偏差低于3 beats/min。這與正常體重者獲得的HRVT 和VT相應(yīng)心率的一致性相近或更高[4，19]。盡管本研究未驗證RMSSD與SD1確定HRVT的可靠性，但是早期肥胖少年[6]、健康青年[3]和中老年人[23]HRVT研究證據(jù)表明，基于RMSSD或SD1判定的HRVT 結(jié)果表現(xiàn)出較高的重復(fù)性。與乳酸閾和通氣閾不同，HRVT操作簡單、經(jīng)濟(jì)，不需要昂貴儀器設(shè)備。使用心率遙測表記錄的R-R 間隔信號，通過軟件分析遞增負(fù)荷運動過程中HRV 的時序變化特征推測VT。

綜上所述，HRVT 也是推測超重/肥胖青年女性VT的可行替代方法。但在實際應(yīng)用中，要綜合考慮遞增負(fù)荷運動方案、HRV參數(shù)選擇等因素的限制，從而提高HRVT 反映VT 的有效性。另一方面，當(dāng)運動超過HRVT 強(qiáng)度時，副交感神經(jīng)將完全受抑制[7]，增大運動心臟事件發(fā)生幾率。HRVT 對具有高危風(fēng)險并發(fā)癥的超重/肥胖個體運動強(qiáng)度制定具有重要參考價值。本研究未觀察超重/肥胖青年女性運動訓(xùn)練前后HRVT的變化，HRVT能否反映運動訓(xùn)練后適應(yīng)性變化有待今后深入探討。

4 總結(jié)

本研究基于RMSSD 和SD1判定超重/肥胖青年女性HRVT 相應(yīng)的運動強(qiáng)度與VT 具有較高一致性，HRVT可能是推測超重/肥胖青年女性通氣閾的有效替代方法。優(yōu)化運動測試方案，提高HRVT判定有效性，將有利于HRVT推廣應(yīng)用于超重/肥胖人群運動控體重和個性化運動訓(xùn)練監(jiān)控。