高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練對女大學(xué)生骨密度及體適能的影響

李珂珂 卜淑敏 李慶 張麗

首都體育學(xué)院，北京 100191

隨著科技的進(jìn)步，人們的生活方式發(fā)生了很大的改變。智能手機(jī)、游戲機(jī)的使用延長了人們的屏前時間，而網(wǎng)購、外賣等消費(fèi)習(xí)慣減少了人們的體力活動時間，尤其是對于年輕人[1]。體力活動不足不僅使人們的體質(zhì)下降，而且易導(dǎo)致超重和肥胖。雖然超重和肥胖是心血管疾病、高血壓、糖尿病、多種癌癥的重大風(fēng)險因素，但超重和肥胖可以通過體重、脂肪重量、骨形成和吸收、促炎性細(xì)胞因子和骨髓微環(huán)境等多種機(jī)制對骨骼實(shí)施有益和有害雙重影響[2-3]。即最佳肥胖程度對骨骼產(chǎn)生有益的適應(yīng)性影響，而高或低的肥胖都對骨骼產(chǎn)生有害影響。

眾所周知，促進(jìn)骨骼健康的首選方法是增加體育鍛煉。女性青年時期進(jìn)行體育鍛煉能提高和維持其峰值骨量，可預(yù)防將來絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的發(fā)生。雖然高沖擊力或高強(qiáng)度負(fù)重運(yùn)動可以通過增加骨轉(zhuǎn)換、減少骨細(xì)胞凋亡和提高骨細(xì)胞的活性來產(chǎn)生促成骨效應(yīng)[4]，但最近的一項(xiàng)研究[5]表明，高強(qiáng)度、低沖擊力的自行車運(yùn)動也可以產(chǎn)生與力量訓(xùn)練等高沖擊力運(yùn)動相似的骨轉(zhuǎn)換效應(yīng)。

高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練(high-intensity interval training, HIIT)是近年來流行起來的一種深受青年人群喜愛的減重健身訓(xùn)練方法。目前有關(guān)HIIT對青年女性的研究大多只關(guān)注其改善同一人群的體成分、提高體適能方面的效果，很少探討HIIT在減重健身時對不同BMI青年女性體適能和骨健康的影響[6-9]。由于脂肪對骨骼尤其是青年女性的影響比較特殊，過低和過多都能導(dǎo)致骨量下降[2-3,10]，我們推測不同BMI青年女性可能由于其身體成分的差異對HIIT的適應(yīng)不盡相同。鑒此，本文對比研究了8周HIIT對正常體重和超重女大學(xué)生體適能和骨健康相關(guān)指標(biāo)的影響，旨在為HIIT在青年女性減重健身中的應(yīng)用提供理論參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 對象與分組

從某大學(xué)隨機(jī)招募的受試者中篩選出22名非體育專業(yè)在校女大學(xué)生，其中12名體重正常(18.5 kg/m2≤BMI<24 kg/m2)，10名超重(24 kg/m2≤BMI<28 kg/m2)[11]。所有受試者在實(shí)驗(yàn)前填寫了健康問卷并簽署了知情同意書，本研究方案得到我校道德倫理委員會的批準(zhǔn)。研究對象的納入標(biāo)準(zhǔn)：①18～25歲；②18.5 kg/m2≤BMI<30 kg/m2；③無任何急、慢性疾?。虎茉陆?jīng)周期正常；⑤非體育專業(yè)，除體育課外，近三個月沒有進(jìn)行過有規(guī)律的體育鍛煉；⑥近半年沒有服用過任何與骨代謝相關(guān)的藥物；⑦自愿參加本實(shí)驗(yàn)，積極配合各項(xiàng)指標(biāo)檢測和問卷填寫。研究對象的排除標(biāo)準(zhǔn)：①半年內(nèi)體重有較大的波動(>2 kg)；②患有哮喘、心臟病、高血壓、腫瘤等運(yùn)動禁忌癥；③近3個月內(nèi)做過任何手術(shù)；④有抽煙、喝酒等不良嗜好。根據(jù)BMI的不同，將22名受試者分為正常體重組(NW組，n=12人)和超重組 (OW組，n=10人)。兩組受試者基本資料見表1。

表1 受試者基本信息Table 1 Basic information of

1.2 HIIT方案

兩組受試者均需進(jìn)行為期8周，每周3次，每次30 min的HIIT。具體方案為：先以60 W的強(qiáng)度熱身5 min，再以85 %～90 %峰值攝氧量(peak oxygen uptake，VO2peak)強(qiáng)度蹬車3 min，然后以35 %～45 %VO2peak的強(qiáng)度蹬車2 min，重復(fù)6組后，以50～60 W強(qiáng)度放松5 min[12]。期間給予受試者鼓勵使其蹬車的節(jié)律保持在60±5 r/min[13]。在訓(xùn)練的第1～3周，高強(qiáng)度訓(xùn)練的運(yùn)動強(qiáng)度為85 %VO2peak，第4～5周逐漸由85 %VO2peak過渡到90 %VO2peak，第6～8周穩(wěn)定在90 %VO2peak。每次訓(xùn)練期間佩戴Polar藍(lán)牙心率帶實(shí)時監(jiān)控心率的變化以控制運(yùn)動強(qiáng)度，并通過主觀感覺量表(Borg scale 6-20)記錄受試者運(yùn)動中的主觀疲勞狀態(tài)，用以評定運(yùn)動時所達(dá)到的強(qiáng)度。在具體實(shí)驗(yàn)操作中，可根據(jù)受試者的身體狀況和運(yùn)動反饋進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以確保研究安全有效進(jìn)行。干預(yù)方案如圖1所示。訓(xùn)練期間不對受試者進(jìn)行任何飲食控制，但要求其飲食和體育活動等生活習(xí)慣保持不變。

圖1 HIIT方案Fig.1 HIIT program

1.3 指標(biāo)檢測與方法

1.3.1體成分和骨密度測試：分別在訓(xùn)練開始前48 h和結(jié)束后48 h，采用雙能X射線骨密度儀(GE Lunar DPX-NT)測量受試者的體成分和骨密度。

1.3.2血液采集和指標(biāo)檢測：要求所有受試者禁食12 h，采血前24 h禁止任何運(yùn)動，于當(dāng)天清晨8：00之前到達(dá)中關(guān)村醫(yī)院體檢中心，抽取肘靜脈血10 mL, 靜置30 min，以3 000 r/min離心15 min后，取血清。血清骨鈣素(OCN)和25(OH)D采用電化學(xué)發(fā)光法檢測，試劑盒購自德國羅氏公司，所用儀器為羅氏Co base 601 免疫檢測分析儀。

1.3.3體適能指標(biāo)測試：VO2peak的測定采用功率自行車和氣體分析儀(AEI moxus，美國)。測試前兩天要求受試者不能劇烈運(yùn)動，且主觀感覺良好，在蹬車前佩戴Polor藍(lán)牙心率帶，帶好呼吸面罩，按照設(shè)定的運(yùn)動模式進(jìn)行。首先以50 W的功率蹬車5 min，隨后功率負(fù)荷每1 min增加12 W，逐級遞增直到不能堅(jiān)持[9]，期間要求蹬車頻率保持在60±5 r/min。VO2peak評判標(biāo)準(zhǔn)：①心率達(dá)到預(yù)算的最大心率(220-年齡)或心率進(jìn)入平臺期，不再隨著負(fù)荷增加；②呼吸商≥1.15；攝氧量達(dá)到平臺，變化量<150 mL/min；③難以維持50 r/min轉(zhuǎn)速蹬車超過20 s；④主觀體力感覺>18.0。以上標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)3個即可判斷達(dá)到VO2peak。

采用立定跳遠(yuǎn)測定下肢爆發(fā)力。每人跳3次，取最高成績[8]。

采用400 m跑評估速度耐力。

采用十秒象限跳記錄受試者在10 s內(nèi)跳躍的次數(shù)，以評價受試者下肢靈敏性[14]。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 26.0統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。訓(xùn)練前，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行組間比較，時間與組別的交互效應(yīng)采用重復(fù)測量方差分析，時間(訓(xùn)練前vs訓(xùn)練后)為被試內(nèi)因素，組間(NW vs OW)為被試間因素。在主效應(yīng)和交互效應(yīng)顯著的情況下采用配對樣本t檢驗(yàn)確定組內(nèi)的時間效應(yīng)，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)確定訓(xùn)練前與訓(xùn)練后的組間差異。當(dāng)配對樣本t檢驗(yàn)P<0.05時，采用Cohen d估計(jì)效應(yīng)量。Cohen d的評價標(biāo)準(zhǔn)為：小效應(yīng)(0.2≤d<0.5)；中等效應(yīng)(0.5≤d<0.8)；大效應(yīng)(d≥0.8)。當(dāng)P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P<0.01為差異具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 HIIT對NW組和OW組身體形態(tài)和體成分影響的比較

如表2所示，不同時間點(diǎn)，體重、BMI、腰圍、腰高比、體脂率、全身脂肪含量、腹部和髖部脂肪含量差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P<0.05或P<0.01)，而兩組的肌肉含量和瘦體重差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P>0.05)；組別間的體重、BMI、腰圍、腰高比、體脂率、全身脂肪含量、瘦體重、腹部和髖部脂肪含量差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P<0.05)；肌肉含量在時間、組別和其交互項(xiàng)上差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P>0.05)，其他各指標(biāo)在時間與組別的交互項(xiàng)上差異也無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P>0.05)。

t檢驗(yàn)得出，與訓(xùn)練前相比，NW組的體脂率、全身脂肪含量、腹部和髖部脂肪含量均極顯著下降(P<0.01)，而體重和BMI差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P>0.05)。OW組的體脂率、全身脂肪含量、腰圍、腰高比和腹部脂肪含量顯著下降(P<0.05)，而體重、BMI和髖部脂肪含量極顯著下降(P<0.01)；組間比較可知，訓(xùn)練前后，OW組和NW組的身高和瘦體重差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P>0.05)，兩組的肌肉含量在訓(xùn)練前差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P>0.05)，訓(xùn)練后差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，而其他指標(biāo)在訓(xùn)練前差異就有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P<0.05)。

2.2 HIIT對NW組和OW組骨密度影響的比較

如表3所示，不同時間點(diǎn)股骨骨密度差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P<0.05)；組別間的全身骨密度和腰椎骨密度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P<0.05)；時間與組別的交互項(xiàng)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P>0.05)。

t檢驗(yàn)得知，與訓(xùn)練前相比，NW組的股骨骨密度顯著增加(P<0.05)，而兩組的全身骨密度、腰椎骨密度和髖骨骨密度差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P>0.05)。組間對比表明，NW組和OW組的全身骨密度、腰椎骨密度和髖骨骨密度差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P<0.05)，而兩組的股骨骨密度在訓(xùn)練前差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P>0.05)，訓(xùn)練后差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P<0.05)。

表2 HIIT對正常體重和超重女大學(xué)生身體形態(tài)和體成分的影響Table 2 Effect of HIIT on morphology and body composition in normal-weight and overweight female college

表3 HIIT對正常體重和超重女大學(xué)生骨密度的影響Table 3 Effect of HIIT on bone mineral density in normal-weight and overweight female college

2.3 HIIT對NW組和OW組骨代謝生化指標(biāo)影響的比較

如表4所示，不同時間點(diǎn)，只有25(OH)D差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P<0.01)，組別間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，各指標(biāo)的交互項(xiàng)差異也無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P>0.05)。

t檢驗(yàn)結(jié)果得出，與訓(xùn)練前相比，兩組的25(OH)D水平均顯著增加(P<0.01)，其他指標(biāo)雖有變化，但差異并無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。組間分析表明，兩組各項(xiàng)指標(biāo)在訓(xùn)練前后差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P>0.05)。

表4 HIIT對正常體重和超重女大學(xué)生骨代謝生化指標(biāo)的影響

2.4 HIIT干預(yù)對NW組和OW組體適能影響的比較

如表5所示，不同時間點(diǎn)，VO2peak、十秒象限跳、立定跳遠(yuǎn)和400 m成績差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P<0.05或P<0.01)；組別間的VO2peak和400 m成績差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P<0.05)；VO2peak的時間與組別的交互項(xiàng)差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P<0.05)。

t檢驗(yàn)得出，與訓(xùn)練前相比，兩組的十秒象限跳、立定跳遠(yuǎn)和400 m跑成績均顯著提高(P<0.05或P<0.01)。NW組的VO2peak顯著提高(P<0.01)，而OW組的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P>0.05)。組間對比得出，訓(xùn)練前后兩組的400 m跑成績差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P<0.05)，而兩組的VO2peak在訓(xùn)練前差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P>0.05)，訓(xùn)練后差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P<0.05)。

表5 HIIT對正常體重和超重女大學(xué)生體適能的影響Table 5 Effect of HIIT on physical fitness in normal-weight and overweight female college

3 討論

身體成分是指身體各成分的含量及比例。許多研究[15-16]已證實(shí)HIIT能有效降低脂肪含量和體脂率。本研究8周HIIT后，NW組和OW組的體脂率和脂肪含量均顯著下降。此結(jié)果與Zeng等[15]和Maillard等[16]的研究結(jié)果相似。此外，兩組的腹部和髖部脂肪含量均顯著下降。這與Kong等[17]和Zhang等[18]的研究結(jié)果一致。雖然腹部和髖部脂肪含量與腰圍和臀圍密切相關(guān)，但本研究中只有OW組的腰圍和腰高比有顯著變化，而NW組的腰圍和腰高比無顯著變化。這與Da Silva等的研究結(jié)果一致[19]。由于蹬功率自行車是坐在鞍上，靠下肢發(fā)力，OW組的受試者往往更多轉(zhuǎn)動腰腹部以帶動下肢運(yùn)動，腰腹部在不斷擠壓轉(zhuǎn)動過程中受到比NW組更大的刺激，因此下降率會大于NW組。可見，相同運(yùn)動量的HIIT更易于降低超重女大學(xué)生的腰圍和腰高比。內(nèi)臟脂肪的減少往往伴隨著體重的減少。本研究中，OW組的體重顯著降低，而NW組的體重卻無顯著變化。這與Ouerghi等[20]在男大學(xué)生中和Kargarfard等[21]在10～14歲青少年中得出的結(jié)果均一致?？梢?，同樣運(yùn)動量的HIIT更易于降低超重女大學(xué)生的BMI和體重。

骨密度是反映骨質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。前人研究[22-23]證實(shí)，超重和肥胖人群往往含有比正常體重更高的骨密度和骨礦鹽含量。同樣本研究中，訓(xùn)練前OW組的全身骨密度和腰椎骨密度顯著高于NW組。訓(xùn)練后，只有NW組的股骨骨密度較干預(yù)前顯著增加。Kanako等[24]認(rèn)為這種局部骨密度的增長可能與年齡的增長、體力活動和體重承載有關(guān)。Kanako的研究得出，低負(fù)荷的運(yùn)動能夠提高絕經(jīng)后女性的髖骨骨密度，但不能提高絕經(jīng)后女性全身及脊柱骨密度[24]。先前的研究[6]結(jié)果表明，在達(dá)到峰值骨量之前，骨特異性負(fù)重運(yùn)動是增加局部特異性骨量的重要因素，高強(qiáng)度負(fù)重訓(xùn)練與骨密度和骨強(qiáng)度之間一直存在正相關(guān)。Benedetti等[25]也認(rèn)為訓(xùn)練對骨密度的增加只限于局部受到刺激的部位，而全身的骨密度則需要更大強(qiáng)度與更長時間的訓(xùn)練。本研究采用的是靠下肢發(fā)力的功率自行車運(yùn)動，運(yùn)動中股骨受到的力學(xué)刺激最大，因此其骨密度增加最多。至于為什么超重受試者股骨骨密度沒有增加，可能與其基礎(chǔ)值較高有關(guān)。

HIIT這種間歇式的訓(xùn)練模式能夠通過招募廣泛的肌纖維，增強(qiáng)肌肉氧化能力，使乳酸的生成與清除保持平衡狀態(tài)，進(jìn)而提高了機(jī)體的緩沖能力，有利于心肺適能的改善[26]。本實(shí)驗(yàn)中，8周HIIT對NW組和OW組VO2peak的干預(yù)效果存在一定差異，具有組別和時間的交互效應(yīng)。Benedetti等[25]指出短期(少于12周)HIIT對正常體重人群VO2peak的干預(yù)效果優(yōu)于超重人群，長期(大于12周) HIIT對超重人群的VO2peak干預(yù)效果優(yōu)于正常體重人群。超重組受試者由于體脂率高于正常體重組，血液黏稠，血流量下降，不利于氧氣的運(yùn)輸與利用, 進(jìn)而影響VO2peak的提高，相比體重正常人群需要較長的干預(yù)時間。因此，HIIT更有利于提高正常組受試者的VO2peak。

肌肉適能是指機(jī)體依靠肌肉收縮克服和對抗阻力并維持身體活動的能力。立定跳遠(yuǎn)成績能夠衡量機(jī)體的下肢肌力、爆發(fā)力和協(xié)調(diào)性。Da Silva等[20]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過12周HIIT后，體重正常和超重青少年的下肢爆發(fā)力均有所提升。Evangelista等[27]指出訓(xùn)練后立定跳遠(yuǎn)成績的提高與肌肉力量的增強(qiáng)有關(guān)，也與代謝應(yīng)激刺激導(dǎo)致肌肉肥大和神經(jīng)肌肉的適應(yīng)性提高有關(guān)。而Buchan等[28]指出肥胖受試者運(yùn)動能力的提高與脂肪含量的下降密切相關(guān)。本研究中，8周間歇訓(xùn)練使兩組受試者的脂肪含量下降，導(dǎo)致肌肉之間的聯(lián)合協(xié)調(diào)能力增強(qiáng)，進(jìn)而提高了下肢的爆發(fā)力。

400 m成績是評價機(jī)體絕對速度和速度耐力素質(zhì)的指標(biāo)[29]。許多研究[25]表明，HIIT能夠提高普通健康人群的VO2 max和肌肉力量，而肌肉力量的增加有利于跑步時步頻與步幅的增加，在一定程度上有利于400 m成績的提高[30]。本研究中，8周HIIT后，NW組和OW組400 m成績較干預(yù)前均顯著提高。這與Buchan等[28]研究結(jié)果一致。對于沒有訓(xùn)練基礎(chǔ)的普通女大學(xué)生來說，機(jī)體的心肺耐力和乳酸耐受程度是決定400 m運(yùn)動成績的關(guān)鍵[26]，而肌肉與脂肪的比例也決定著運(yùn)動成績的好壞[18]。因此，兩組400 m成績的增加可能是因?yàn)閮山M肌肉力量的增加、乳酸代謝能力的增強(qiáng)、體脂率的下降和脂肪含量的減少。

靈敏素質(zhì)一般是指機(jī)體在短時間內(nèi)順應(yīng)環(huán)境的變化，迅速改變空間位置，流暢完成動作的能力。許多研究表明機(jī)體的肌肉質(zhì)量、肌肉彈性、肌肉力量、協(xié)調(diào)能力、動態(tài)平衡能力、關(guān)節(jié)靈活性等會影響運(yùn)動員的靈敏性。Pau等[31]采取功率自行車方式進(jìn)行訓(xùn)練，結(jié)果發(fā)現(xiàn)12周的有氧和力量訓(xùn)練能提高中年女性的靈敏素質(zhì)。本研究干預(yù)結(jié)束后，NW組和OW組十秒象限跳成績均顯著提高，這說明本實(shí)驗(yàn)干預(yù)有利于提高機(jī)體下肢靈敏性，且對正常體重和超重女大學(xué)生的的影響相似。

本研究對不同BMI女大學(xué)生的研究均為小樣本量，可能會存在個別受試者異常情況，對總結(jié)歸納結(jié)果可能會有一定影響；沒有在研究中期采集一次受試者各項(xiàng)指標(biāo)變化的數(shù)據(jù)，無法觀察各項(xiàng)指標(biāo)的動態(tài)變化；本研究對象雖為超重女大學(xué)生，但超重程度還不夠高，在某些指標(biāo)的變化上可能與體重正常女大學(xué)生的變化相差不明顯，因此多數(shù)指標(biāo)的變化率差異并不顯著。盡管本研究有上述局限性，但本研究的結(jié)果表明，8周高強(qiáng)度間歇功率自行車訓(xùn)練易于改善超重女大學(xué)生的身體形態(tài)，且易于增加正常體重女大學(xué)生的股骨骨密度以及提高其心肺適能。