僅通過一次超大強(qiáng)度測(cè)試預(yù)測(cè)最大累積氧虧的可靠性研究

楊俊超 奧航 陳雨揚(yáng) 李新元 許春艷 邱俊強(qiáng)

北京體育大學(xué)（北京100084）

1 前言

最大累積氧虧（maximal accumulated oxygen deficit，MAOD）是指在一次性超大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)中累積氧虧達(dá)到的最大值[1]，被公認(rèn)為是評(píng)價(jià)無氧能力的金標(biāo)準(zhǔn)[2]。無氧能力是評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的重要指標(biāo)，特別是對(duì)于短距離運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目[3]。研究者對(duì)無氧能力的評(píng)定方法進(jìn)行了廣泛的實(shí)證研究，除了MAOD，還有臨界功率（critical power，CP）和總效率（gross efficiency，GE）等指標(biāo)被人熟知。

1988年，Medb?等[4]提出了測(cè)定MAOD 的原始方案，包括恒定負(fù)荷測(cè)試和超大強(qiáng)度測(cè)試兩個(gè)核心部分：（1）恒定負(fù)荷試驗(yàn)，即在坡度為6°（10.5%）的跑臺(tái)上完成20次（35%～90%VO2max）、每次持續(xù)10 min的亞極限測(cè)試，以此建立攝氧量-輸出功率（VO2-PO）線性關(guān)系；（2）超大強(qiáng)度測(cè)試，即持續(xù)時(shí)間2～3 min 的恒定輸出功率全力測(cè)試。該方案同時(shí)還可以測(cè)定受試者的最大攝氧量和運(yùn)動(dòng)經(jīng)濟(jì)性，但整體來說過程耗時(shí)且繁瑣。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，簡(jiǎn)化或替代MAOD原始方案具有重要的研究意義。

當(dāng)機(jī)體產(chǎn)生氧虧時(shí)由無氧代謝（無氧乳酸和無氧非乳酸）供能[5]，其中無氧乳酸部分可以利用運(yùn)動(dòng)中凈累積血乳酸計(jì)算（ELa）[6]。另外，根據(jù)Margaria 等[7]提出的氧債學(xué)說，無氧非乳酸部分可以通過運(yùn)動(dòng)后過量氧耗的快速部分計(jì)算（EPOCFAST）。已有研究證明，運(yùn)動(dòng)中凈累積血乳酸和運(yùn)動(dòng)后過量氧耗的快速部分相加（MAODALT）可以等同于MAOD[8]。但采用氧債法計(jì)算無氧非乳酸部分供能，意味著運(yùn)動(dòng)員在高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)結(jié)束后還要持續(xù)佩戴氣體代謝分析儀，例如6 min[9]或10 min[10]。同時(shí)，超大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)后，運(yùn)動(dòng)員繼續(xù)佩戴儀器可能引起極度不適，導(dǎo)致測(cè)試中斷。

因此，越簡(jiǎn)單且可靠的MAOD 測(cè)試方法越能在實(shí)際運(yùn)用過程中具有優(yōu)勢(shì)，特別是針對(duì)精英級(jí)的運(yùn)動(dòng)員。Henry等[11，12]在1956年發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)開始階段的VO2同樣包含無氧非乳酸部分，且在高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)中VO2和肌肉磷酸肌酸濃度動(dòng)力曲線的一致性在10%以內(nèi)[13]。鑒于此，本研究在一次性超大強(qiáng)度中利用Medb?法計(jì)算的MAOD驗(yàn)證凈累積血乳酸（ELa）和攝氧量動(dòng)力曲線快速部分VO2（EPCr）計(jì)算的MAODALT是否可靠。

2 方法

2.1 研究對(duì)象

16 名400 米跑男性專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)員，包括1 名健將、4名1級(jí)運(yùn)動(dòng)員和11名2級(jí)運(yùn)動(dòng)員（表1）。研究期間，所有受試者均只進(jìn)行恢復(fù)性運(yùn)動(dòng)。受試者在實(shí)驗(yàn)前由實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人告知實(shí)驗(yàn)流程、測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)和測(cè)試要求等，并簽署知情同意書。本實(shí)驗(yàn)得到了北京體育大學(xué)倫理審查委員會(huì)批準(zhǔn)。

表1 受試者基本資料

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

所有受試者共進(jìn)行5 次運(yùn)動(dòng)測(cè)試，包括遞增負(fù)荷測(cè)試、恒定負(fù)荷測(cè)試（5級(jí)：50%、60%、70%、80%和90%VO2max）和3 次超大強(qiáng)度測(cè)試（110%VO2max）。每?jī)纱芜\(yùn)動(dòng)測(cè)試之間至少間隔48～72 小時(shí)。溫度20℃～24℃，并且測(cè)試至少在受試者餐后2小時(shí)進(jìn)行。在測(cè)試前48小時(shí)內(nèi)，要求受試者避免力竭運(yùn)動(dòng)和攝入酒精等[14]。

受試者身體成分采用數(shù)字化雙能量X 光檢測(cè)儀（iDxa，USA）測(cè)定。遞增負(fù)荷測(cè)試、恒定負(fù)荷測(cè)試和超大強(qiáng)度測(cè)試過程中的代謝氣體采用便攜式氣體代謝儀（MetaMax 3B，Cortex Biophysic，Leipzig，Germany）收集。測(cè)試前按照儀器使用要求進(jìn)行氣壓、氣體（標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度O2為15.00%，CO2為5.00%）和氣量（氣筒容積為3 L）校準(zhǔn)。采集受試者遞增負(fù)荷測(cè)試結(jié)束后即刻，以及超大強(qiáng)度測(cè)試前和測(cè)試后1、4、7、10 min 的指尖血[15]，使用血乳酸分析儀（Biosen S-line lab ，EKF Diagnostic，Barleben，Germany）分析。

2.3 遞增負(fù)荷測(cè)試

受試者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)跑臺(tái)（H/p/cosmos，German）上進(jìn)行測(cè)試，遞增負(fù)荷測(cè)試方案：受試者以10 km/h 開始，每2 min增加1 km/h，運(yùn)動(dòng)至力竭后停止[16]。遞增負(fù)荷測(cè)試過程中跑臺(tái)坡度設(shè)置為1%[17]，受試者佩戴便攜式氣體代謝分析儀。測(cè)試結(jié)果滿足以下2個(gè)及以上即可判斷為力竭[18，19]：最后兩級(jí)之間的VO2增加≤2.1 ml/kg/min，運(yùn)動(dòng)后血乳酸≥8.0 mmol/L，呼吸交換率≥1.10 或心率處于最大心率（220－年齡）的±10 beats/min之間。

2.4 恒定負(fù)荷測(cè)試

受試者到達(dá)實(shí)驗(yàn)室，休息5 min 后，佩戴便攜式氣體代謝分析儀測(cè)定坐姿安靜VO2，時(shí)間持續(xù)10 min，取第6～10 min的VO2均值作為受試者靜息攝氧量。根據(jù)遞增負(fù)荷測(cè)試的最大攝氧量強(qiáng)度，受試者完成5 級(jí)恒定負(fù)荷測(cè)試（50%、60%、70%、80%和90%VO2max），每級(jí)持續(xù)10 min，跑臺(tái)坡度設(shè)置為1%[17]。每完成1 級(jí)負(fù)荷后，立即取下面罩，在1 min內(nèi)完成指尖血采集。休息4 min 后，受試者戴上面罩，直到VO2恢復(fù)至與上級(jí)運(yùn)動(dòng)前VO2差值在3 ml/kg/min 以內(nèi)，才令受試者進(jìn)行下一級(jí)恒定負(fù)荷測(cè)試[20]。取每級(jí)負(fù)荷的8～10 minVO2的均值與其對(duì)應(yīng)的負(fù)荷強(qiáng)度（速度）進(jìn)行線性擬合。

2.5 超大強(qiáng)度測(cè)試

受試者進(jìn)行3 次超大強(qiáng)度測(cè)試，即要求受試者以110%VO2max負(fù)荷，在坡度1%的跑臺(tái)上運(yùn)動(dòng)至力竭（≥2 min）[21]。其中第1 次超大強(qiáng)度為基礎(chǔ)測(cè)試（first test，F(xiàn)T），第2 次與第1 次超大強(qiáng)度測(cè)試的時(shí)間相同（second test，ST）），第3 次測(cè)試為時(shí)間不做限定的測(cè)試（third test，TT）。每2次測(cè)試之間相隔72小時(shí)，保證兩次測(cè)試的時(shí)間段一致。在每次測(cè)試前，以8 km/h 的速度熱身5 min后進(jìn)行拉伸。采集受試者運(yùn)動(dòng)前和運(yùn)動(dòng)后1、4、7、10 min指尖血[15]。

2.6 MAOD計(jì)算

根據(jù)Medb?提出的測(cè)試方法，最大累積氧虧=理論攝氧量－實(shí)際攝氧量。其中理論攝氧量是由攝氧量－輸出功率（VO2-PO）預(yù)測(cè)方程推算而來，實(shí)際攝氧量則是受試者在超大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)中的實(shí)際VO2，采用便攜式氣體代謝分析儀分析。本研究采用“5+Y”方法擬合Y=aX+b方程（VO2-PO方程），其中a為回歸方程線的斜率，參數(shù)b即“Y”截距，代表安靜時(shí)受試者的VO2（圖1）。

僅通過一次超大強(qiáng)度測(cè)試計(jì)算最大累積氧虧（MAODALT），即MAODALT相當(dāng)于磷酸原（EPCr，無氧非乳酸部分）和糖酵解（ELa，無氧乳酸部分）代謝的氧氣當(dāng)量總和。糖酵解（ELa）代謝氧氣當(dāng)量根據(jù)運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生的乳酸進(jìn)行換算，即無氧乳酸部分（ml/kg）=超大強(qiáng)度測(cè)試凈累積血乳酸×氧氣-乳酸換算系數(shù)，氧氣-乳酸換算系數(shù)為3.0 ml/kg/mmol·l[22]。EPCr等于運(yùn)動(dòng)中攝氧量快速部分的供能（VO2FAST），根據(jù)VO2動(dòng)力模型計(jì)算（公式2[12]）。考慮到跑臺(tái)加速到既定速度需要10～20 s，因此更符合二階段模型（公式1[12]），即VO2動(dòng)力學(xué)三階段模型中的第一階段不再參與計(jì)算。將FT、ST 和TT 測(cè)試中的breath×breath氣體代謝數(shù)據(jù)按秒導(dǎo)出[23]，同時(shí)為了增強(qiáng)非線性曲線的擬合度，令FT和ST的超大強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)以開始運(yùn)動(dòng)時(shí)間作為起點(diǎn)對(duì)齊后平均，最終把FT、FT+ST和TT測(cè)試數(shù)據(jù)代入公式1進(jìn)行擬合。

VO2（t）= VO2（b）+A1×（1-EXP-（t-TD1）/τ1）+A2×（1- EXP（-（t-TD2）/τ2））（公式1）

EPcr= A1·τ1（公式2）

其中，VO2（b）為安靜值，A為漸進(jìn)幅度，τ為階段對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)。1和2代表的為運(yùn)動(dòng)中VO2快速和慢速部分，由于二階段模型（公式1）相比于三階段模型省去了攝氧量動(dòng)力學(xué)模型第一階段，故TD1=0（圖1）。

圖1 本研究中A受試者攝氧量-速度擬合和超大強(qiáng)度攝氧量動(dòng)力學(xué)擬合曲線圖

2.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用SPSS 21.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，線性和非線性曲線采用GraphPad Prism 8進(jìn)行擬合。統(tǒng)計(jì)結(jié)果以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（Mean ± SD）表示。采用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否為正態(tài)分布。采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)判斷MAOD 與MAODALT的差異；單因素方差分析判斷FT、FT+ST和TT測(cè)試間攝氧量動(dòng)力學(xué)曲線參數(shù)的差異，Bonferroni post hoc test 方法對(duì)3 次測(cè)試擬合的參數(shù)兩兩比較。此外，采用Bland-Altman 法評(píng)估MAOD與MAODALT之間的一致性。統(tǒng)計(jì)顯著性水平設(shè)置為0.05。

3 結(jié)果

遞增負(fù)荷測(cè)試結(jié)果顯示所有受試者均滿足力竭標(biāo)準(zhǔn)，VO2max為57.44 ± 2.79 ml/kg/min，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度為16.44 ± 0.86 km/h（表2）。

表2 遞增負(fù)荷測(cè)試中各指標(biāo)結(jié)果

本研究采用“5+Y”擬合攝氧量-速度線性相關(guān)方程，Y（靜息攝氧量）為5.60 ± 0.50 ml/kg/min，斜率為3.28 ± 0.19，R2為0.96 ± 0.03。

超大強(qiáng)度測(cè)試的攝氧量動(dòng)力學(xué)模型各參數(shù)擬合結(jié)果顯示，F(xiàn)T、FT+ST 和TT 測(cè)試各參數(shù)擬合結(jié)果差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；但FT+ST的R2均大于FT和TT（P＜0.05）（表3）。

表3 攝氧量動(dòng)力學(xué)模型各參數(shù)擬合結(jié)果

FT 測(cè)試的MAOD 為3.52 ± 1.04 L，MAODALT為2.90 ± 0.60 L，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.065）；FT+ST測(cè)試的MAOD 為3.58 ± 0.95 L，MAODALT為3.08 ±0.67 L，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.062）；TT 測(cè)試的MAOD 為3.26 ± 0.90 L，MAODALT為3.22 ± 0.77 L，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.889）（圖2）。FT測(cè)試中的MAODALT無氧無乳酸占比為19.65% ± 11.32%，無氧乳酸占比80.35% ± 11.32%；FT+ST測(cè)試中的MAODALT無氧無乳酸占比為20.53% ± 8.43%，無氧乳酸占比79.47% ±8.43%；TT 測(cè)試中的MAODALT無氧無乳酸占比為17.89% ± 9.12%，無氧乳酸占比82.11% ± 9.12%。

Bland-Altman 法的一致性檢驗(yàn)結(jié)果顯示，F(xiàn)T測(cè)試中MAOD與MAODALT差值的均值為0.62 L，95%一致性界限（95%LoA）的上限為3.04 L，下限為－1.82 L；FT+ST 測(cè)試中MAOD 與MAODALT差值的均值為0.49 L，95%一致性界限（95%LoA）的上限為2.40 L，下限為－1.42 L；TT測(cè)試中MAOD 與MAODALT差值 的 均值 為0.04 L，95%一致性界限（95%LoA）的上限為2.32 L，下限為－2.23L。本研究所觀察樣本均落在95%一致性界限范圍內(nèi)，說明2種計(jì)算方法的一致性較好（圖2）。

圖2 FT、FT+ST和TT測(cè)試MAOD和MAODALT比較和Bland-Altman 散點(diǎn)圖

4 討論

本研究的研究對(duì)象為中等水平400 米跑運(yùn)動(dòng)員，各測(cè)試MAOD 和MAODALT值分別在3.26～3.58 L 和2.90～3.22 L 之間，而Weber 等[21]研究中無訓(xùn)練男性超大強(qiáng)度（110%VO2max）模式下測(cè)量結(jié)果為3.01 ± 0.11 L。除受試者訓(xùn)練水平不同造成與本研究測(cè)量結(jié)果差異外，也可能是由于其研究采用功率自行車，而本研究采用跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)模式。另外，本研究測(cè)量結(jié)果低于訓(xùn)練有素的自行車和鐵人三項(xiàng)運(yùn)動(dòng)員（4.18 ± 0.95 L）[24]，可能是由于本研究400米跑運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)特點(diǎn)或訓(xùn)練水平不同所致。

如果從人體能量供應(yīng)來源于三大供能系統(tǒng)的角度出發(fā)，MAODALT法可以稱之為磷酸肌酸-乳酸-氧氣法（phosphocreatine-lactate-oxygen，PCr-La-O2）[25]。需要明確的是無氧乳酸部分的能量供應(yīng)計(jì)算本身存在局限性，即通過氧氣-乳酸換算系數(shù)是經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)，并不能精確地反映出糖酵解系統(tǒng)的真實(shí)供能[6]。本研究氧氣-乳酸換算系數(shù)的大小選擇3.0 ml/kg/mmol·l[26，27]，但Valenzuela等[28]選擇3.3 ml/kg/mmol·l進(jìn)行計(jì)算的研究結(jié)果同樣表明MAOD和MAODALT可以相互替代，目前未見有研究在計(jì)算MAODALT時(shí)采用5.2 ml/kg/mmol·l[29]。本文采用了攝氧量動(dòng)力曲線快速部分計(jì)算無氧非乳酸部分能量，結(jié)果顯示無氧非乳酸部分占MAODALT比例在17.89%～20.53%之間，這與Bertuzzi 等[8]測(cè)定的9名未經(jīng)訓(xùn)練的受試者結(jié)果相近（22%）。本研究根據(jù)Lamarra等[30]重復(fù)測(cè)量可減小呼吸波動(dòng)的建議，即令第2次超大強(qiáng)度測(cè)試時(shí)間與第1次相同，并將兩次測(cè)試開始運(yùn)動(dòng)時(shí)間作為起點(diǎn)對(duì)齊后平均再進(jìn)行擬合，結(jié)果也驗(yàn)證了這種方法會(huì)增強(qiáng)攝氧量動(dòng)力曲線的擬合度。另外，考慮到受試者多次完成超大強(qiáng)度測(cè)試的力竭時(shí)間極有可能不同，因此令受試者進(jìn)行了第3次超大強(qiáng)度力竭測(cè)試，其結(jié)果顯示攝氧量動(dòng)力學(xué)曲線各參數(shù)沒有顯著性變化。因此，若時(shí)間受限，僅進(jìn)行一次超大強(qiáng)度測(cè)試即可。

目前的研究在對(duì)MAODALT方法進(jìn)行可靠性驗(yàn)證時(shí)，通常以Medb?法測(cè)量的MAOD 結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)。本研究采用了“5+Y”法預(yù)測(cè)VO2-PO 方程，即測(cè)試5 級(jí)恒定負(fù)荷（每級(jí)負(fù)荷運(yùn)動(dòng)10 min），且固定Y截距（靜息攝氧量）以增加MAOD 測(cè)量結(jié)果的精確性。已有數(shù)據(jù)表明“4+Y”法可得到精確的MAOD 值[31]。有研究者采用“5+Y”法探究每級(jí)負(fù)荷持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間對(duì)MAOD 的影響，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)以4～6 min、6～8 min或8～10 min攝氧量推算的MAOD 無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[32]，但Green 等[33]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，持續(xù)時(shí)間≤6 min 會(huì)影響VO2-PO 線性關(guān)系，因此，本研究每級(jí)負(fù)荷的運(yùn)動(dòng)時(shí)間仍然持續(xù)10 min。本研究擬合VO2-PO方程的R2值為0.96 ± 0.03，低于已有研究數(shù)據(jù)[20，34]，但固定Y截距后使斜率的95%置信區(qū)間范圍減?。灰灿猩贁?shù)研究者認(rèn)為95%置信區(qū)間范圍大小才是評(píng)價(jià)是否精確計(jì)算MAOD 的標(biāo)準(zhǔn)[35]。本研究受試者在超大強(qiáng)度測(cè)試中運(yùn)動(dòng)時(shí)間均大于2 min，滿足達(dá)到最大累積氧虧的時(shí)間條件[4]。Bertuzzi 等[8]研究測(cè)試了6 級(jí)負(fù)荷，沒有固定Y 截距，其結(jié)果顯示MAODALT可以估算最大累積氧虧。但即便如此，未來的研究在簡(jiǎn)化MAOD原始方案時(shí)，應(yīng)充分考慮其可靠性。

迄今為止，MAOD是應(yīng)用最廣泛，也是無創(chuàng)評(píng)定無氧能力的最佳指標(biāo)[2]。本研究?jī)H通過一次超大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)來測(cè)定MAOD，省略了恒定負(fù)荷測(cè)試，能夠較大程度地節(jié)省測(cè)試時(shí)間，有利于大樣本測(cè)試和高水平運(yùn)動(dòng)隊(duì)的推廣。且可以將無氧非乳酸部分和乳酸部分的供能分別進(jìn)行測(cè)量，這在實(shí)際應(yīng)用過程中也具有重要意義，例如某些營(yíng)養(yǎng)策略能提高受試者的最大累積氧虧[36]，則通過MAODALT法就可以更加具體地了解到無氧非乳酸部分和乳酸部分的改變比例。

但影響MAODALT法測(cè)試結(jié)果精度降低的因素較多，尤其體現(xiàn)在攝氧量測(cè)量和動(dòng)力學(xué)曲線擬合以及乳酸測(cè)量方面，因此在測(cè)量過程中可參照以下注意事項(xiàng)：（1）嚴(yán)格按照便攜式氣體代謝分析儀的使用規(guī)范，使用前對(duì)氣壓、氣體和氣量行校準(zhǔn)，告知受試者在測(cè)試過程中盡量保持呼吸平穩(wěn)，這樣可以較大程度地減少VO2異常數(shù)值；（2）在攝氧量動(dòng)力曲線擬合過程中，在時(shí)間允許的情況下可進(jìn)行相同時(shí)間的重測(cè)以增加擬合度，且采用兩位研究者“背靠背”的方法處理數(shù)據(jù)和判斷各參數(shù)初始值；（3）盡量增大運(yùn)動(dòng)后血乳酸采集密度，例如每隔30s采集1次[24]。

5 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在減少測(cè)試用時(shí)的情況下，MAODALT與MAOD 相比，可能也是一種可靠的方法，且能測(cè)量無氧非乳酸和乳酸部分的供能比例。未來需針對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)模式以及納入更多樣本量做進(jìn)一步研究。