8周吸氣肌抗阻訓(xùn)練提高青年男性有氧運(yùn)動能力的可行性研究

帥貞瑜 吳曉薇 劉昊揚(yáng) 包大鵬

1 北京體育大學(xué)競技體育學(xué)院（北京 100084）

2 北京體育大學(xué)運(yùn)動人體科學(xué)學(xué)院（北京 100084）

3 北京體育大學(xué)體育工程學(xué)院（北京 100084）

4 北京體育大學(xué)中國運(yùn)動與健康研究院（北京 100084）

為應(yīng)對嚴(yán)峻的疫情形勢，居家條件下的有氧運(yùn)動成為新的生活方式。現(xiàn)有有氧運(yùn)動能力的訓(xùn)練方法通常以骨骼肌系統(tǒng)誘導(dǎo)的方式提高心肺聯(lián)合機(jī)能，以達(dá)到有氧運(yùn)動能力提升的效果。有研究表明，呼吸肌訓(xùn)練可以提高健康人的肺功能[1-3]，而肺功能是有氧運(yùn)動能力的重要組成部分，這就為在有限的空間范圍及條件下通過肺功能的提高進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有氧運(yùn)動能力的提升提供了可能性。

相比于因牽張反射產(chǎn)生回彈收縮力的被動呼氣，膈肌收縮是主動用力吸氣的過程，保證吸氣功能良好十分必要，因此在呼吸肌訓(xùn)練中更多采用吸氣肌抗阻訓(xùn)練（inspiratory muscle resistance training，IMRT）。而訓(xùn)練強(qiáng)度是抗阻訓(xùn)練的核心要素，其中閾值負(fù)荷吸氣肌訓(xùn)練則被認(rèn)為是增強(qiáng)吸氣肌群肌力最有效的訓(xùn)練方法[4，5]。此外，多項(xiàng)研究表明，如以優(yōu)秀運(yùn)動員作為受試主體，因其自身的有氧運(yùn)動能力處于較高水平，很難通過IMRT 作為單一手段提高其最大攝氧量[6，7]。鑒于此，本研究以無訓(xùn)練經(jīng)歷的青年男性為對象，并參照傳統(tǒng)訓(xùn)練方案中的IMRT強(qiáng)度，即采用50%最大吸氣壓力（maximal inspiratory pressure，MIP）作為IMRT 的閾值負(fù)荷，15%MIP作為無訓(xùn)練效應(yīng)的對照負(fù)荷[7-11]，探討8 周的IMRT 能否作為有效方法提升青年男性的有氧運(yùn)動能力。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

受試者為24 名健康青年男性，具體信息見表1。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）無任何肺部疾病和其他代謝障礙等疾病，且第一秒用力呼氣容積（forced expired volume in the first second，F(xiàn)EV1）/用力肺活量（forced vital capacity，F(xiàn)VC）＞70%[12]；（2）無煙酒嗜好；（3）無專業(yè)運(yùn)動訓(xùn)練經(jīng)歷和規(guī)律運(yùn)動習(xí)慣。所有受試者自愿參加本實(shí)驗(yàn)并簽署知情同意書。研究人員采用隨機(jī)數(shù)字表法將所有受試者分為閾值強(qiáng)度訓(xùn)練組（TG組，13名）和對照組（CG組，11名）。

表1 受試者基本信息

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)前受試者先進(jìn)行體力活動問卷調(diào)查，并分別在IMRT 前后進(jìn)行遞增負(fù)荷運(yùn)動測試、肺功能測試和吸氣肌力量測試。IMRT 期間所有受試者不進(jìn)行除吸氣肌訓(xùn)練外的其他運(yùn)動。

1.2.2 吸氣肌訓(xùn)練

多項(xiàng)研究已經(jīng)證實(shí)，50%MIP強(qiáng)度的吸氣肌訓(xùn)練可以改善人體的呼吸肌功能，而15%MIP 對于呼吸肌功能無顯著影響[7-11]。因此，本研究依據(jù)前人的訓(xùn)練方法制定訓(xùn)練方案[9]：各組受試者每周訓(xùn)練3 次，共8 周。TG 組采用50%MIP 強(qiáng)度進(jìn)行訓(xùn)練，每次2 組，每組30次，組間間歇3 分鐘；CG 組以15%MIP 強(qiáng)度進(jìn)行訓(xùn)練，每次訓(xùn)練1 組，每組60 次。受試者每次吸氣時(shí)從殘氣量位置克服阻力用力吸氣，直至胸廓不能進(jìn)一步擴(kuò)張為止，每次呼氣時(shí)緩慢柔和。訓(xùn)練過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測受試者每次呼吸的吸氣壓，以確保達(dá)到目標(biāo)訓(xùn)練強(qiáng)度。整個訓(xùn)練過程受試者呼吸節(jié)奏適當(dāng)，以避免因呼吸頻率和潮氣量增加而引起的過度通氣。

1.2.3 遞增負(fù)荷測試

用跑臺測試受試者的最大攝氧量（maximum oxygen uptake，VO2max）和通氣閾（ventilation threshold，VT）。受試者佩戴呼吸面罩、心率表和安全保護(hù)帶后在跑臺上進(jìn)行5 min熱身。熱身后受試者以7 km/h速度開始正式測試并逐步提速至16 km/h，隨后維持16 km/h速度至力竭[13]。其中7 km/h至16 km/h階段速度每分鐘增加1 km/h，而坡度保持不變（坡度0%），16 km/h 勻速階段坡度每分鐘增加1%。測試中止的標(biāo)準(zhǔn)需至少滿足以下3 點(diǎn)：（1）呼吸商（respiratory quotient，RQ）達(dá)到或接近1.15；（2）達(dá)到個人的最大心率（220-年齡）；（3）出現(xiàn)攝氧量平臺；（4）受試者無力繼續(xù)保持運(yùn)動。

測試過程中，用氣體代謝儀（MAX-Ⅱ，美國）實(shí)時(shí)監(jiān)測代謝和通氣指標(biāo)，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，通過V-slope 法確定受試者的VT[14]，并計(jì)算達(dá)到通氣閾時(shí)的速度（velocity at ventilatory thresholds，vVT）、通氣閾占最大攝氧量的百分比（VT/VO2max）、最大攝氧量（VO2max）、通氣閾出現(xiàn)時(shí)間和遞增負(fù)荷運(yùn)動持續(xù)時(shí)間。

1.2.4 肺功能測試

采用肺功能儀（HI-101，日本）測試慢肺活量（slow vital capacity，SVC）、用力肺活量（forced vital capacity，F(xiàn)VC）、第一秒用力呼氣容積（forced expired volume in the first second，F(xiàn)EV1）和1 秒率（FEV1/FVC）等指標(biāo)，受試者佩戴鼻夾站立完成3 次測試并取最高值。

1.2.5 吸氣肌力量測試

測試通過呼吸訓(xùn)練器（POWER breathe K5，英國）并選取MIP評價(jià)吸氣肌力量。具體過程為受試者佩戴鼻夾以站立姿勢進(jìn)行最大力量吸氣，共測試5次，并保證至少3次測試值間差異小于10%，取最大值作為測試結(jié)果。在訓(xùn)練期間，受試者每兩周進(jìn)行1次MIP測試。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS25.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計(jì)描述用平均數(shù)± 標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。采用Shapiro-Wilk對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)；采用重復(fù)測量方差分析比較不同組別在有氧運(yùn)動能力方面的差異和被試內(nèi)（干預(yù)前和干預(yù)后）差異。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 吸氣肌訓(xùn)練對健康受試者有氧運(yùn)動能力的影響

如表2所示，與通氣閾和最大攝氧量相關(guān)的6個測試指標(biāo)——VT、vVT、VT/VO2max、VO2max、通氣閾出現(xiàn)時(shí)間和遞增負(fù)荷運(yùn)動持續(xù)時(shí)間實(shí)驗(yàn)前組間比較均無顯著差異（P＞0.05）。為了解8 周IMRT 訓(xùn)練對各組通氣閾和最大攝氧量的影響，以各指標(biāo)作為因變量，組別和時(shí)間作為自變量，采用重復(fù)測量方差分析。結(jié)果顯示：在通氣閾相關(guān)指標(biāo)上，VT 的時(shí)間主效應(yīng)顯著[F（1，22）=6.91，P=0.02]，VT/VO2max的時(shí)間主效應(yīng)顯著[F（1，22）=4.73，P=0.04]，通氣閾出現(xiàn)時(shí)間的時(shí)間主效應(yīng)顯著[F（1，22）=4.77，P=0.04]，vVT 的時(shí)間主效應(yīng)不顯著（P＞0.05）；所有指標(biāo)的組別主效應(yīng)均不顯著（P＞0.05）。時(shí)間和組別在VT 上有顯著的交互作用[F（1，22）=8.74，P＜0.01]，在VT/VO2max上有顯著的交互作用[F（1，22）=6.21，P=0.02]，在通氣閾出現(xiàn)時(shí)間上有顯著的交互作用[F（1，22）=5.60，P=0.03]，在vVT 上有顯著的交互作用[F（1，22）=6.89，P=0.02]。進(jìn)一步的簡單效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，干預(yù)后組間比較時(shí)，TG組和CG組的vVT（P＜0.01）和通氣閾出現(xiàn)時(shí)間（P＜0.05）均存在顯著差異，具體表現(xiàn)為TG 組顯著高于CG 組；組內(nèi)比較時(shí)，干預(yù)后TG 組的VT、VT/VO2max、vVT和通氣閾出現(xiàn)時(shí)間顯著高于干預(yù)前（P＜0.01），而CG 組干預(yù)前后均無顯著性差異（P＞0.05）。

表2 兩組干預(yù)前后通氣閾和最大攝氧量的變化

在最大攝氧量相關(guān)指標(biāo)上，遞增負(fù)荷運(yùn)動持續(xù)時(shí)間的時(shí)間主效應(yīng)顯著[F（1，22）=4.37，P=0.04]，VO2max的時(shí)間主效應(yīng)不顯著（P＜0.05）；所有指標(biāo)組別主效應(yīng)和交互效應(yīng)均不顯著（P＞0.05）。進(jìn)一步簡單效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，組間比較時(shí)兩組的遞增負(fù)荷運(yùn)動持續(xù)時(shí)間在干預(yù)后無顯著性差異（P＞0.05）；組內(nèi)比較時(shí)，干預(yù)后TG 組的遞增負(fù)荷運(yùn)動持續(xù)時(shí)間顯著高于干預(yù)前（P＜0.05）。

2.2 吸氣肌訓(xùn)練對青年男性肺功能的影響

如表3 所示，與肺功能相關(guān)的4 個測試指標(biāo)——SVC、FVC、FEV1 和FEV1/FVC 實(shí)驗(yàn)前組間比較均無顯著差異（P＞0.05）。以肺功能各指標(biāo)作為因變量，組別和時(shí)間作為自變量，采用重復(fù)測量方差分析。結(jié)果顯示：FEV1 的時(shí)間主效應(yīng)顯著[F（1，22）=18.38，P＜0.01]，F(xiàn)EV1/FVC 的時(shí)間主效應(yīng)顯著[F（1，22）=18.51，P＜0.01]，SCV 和FVC 的時(shí)間主效應(yīng)不顯著（P＞0.05）；FEV1/FVC 的組別主效應(yīng)顯著[F（1，22）=7.17，P=0.01]，SVC、FVC 和FEV1的組別主效應(yīng)不顯著。所有指標(biāo)的交互效應(yīng)均不顯著（P＞0.05）。

表3 兩組干預(yù)前后肺功能的變化

進(jìn)一步簡單效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，組間比較時(shí)，干預(yù)后TG組和CG組的FEV1/FVC有顯著性差異（P＜0.01），具體表現(xiàn)為TG 組顯著高于CG 組；組內(nèi)比較時(shí)，干預(yù)后TG 組 的FEV1 和FEV1/FVC（P＜0.01）以 及CG 組 的FEV1和FEV1/FVC（P＜0.05）均顯著高于干預(yù)前。

2.3 吸氣肌訓(xùn)練對青年男性吸氣肌力量的影響

如表4 所示，干預(yù)前組間MIP 無顯著差異（P＜0.05）。重復(fù)測量方差分析結(jié)果顯示MIP的時(shí)間主效應(yīng)顯著[F（4，19）=30.52，P＜0.01]，組別主效應(yīng)不顯著（P＜0.05），時(shí)間與組別交互效應(yīng)顯著[F（4，19）=5.33，P＜0.01]。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，組間比較時(shí)，TG組和CG組的MIP在第4周、第6周、第8周均有顯著性差異（P＜0.05），具體表現(xiàn)為TG組顯著高于CG組；組內(nèi)比較時(shí)，8周干預(yù)后TG組和CG組的MIP均顯著高于干預(yù)前（P＜0.01）。

表4 兩組干預(yù)前后吸氣肌力量MIP的變化（cmH2O）

3 討論

3.1 IMRT對青年男性有氧運(yùn)動能力的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，青年男性通過IMRT有氧運(yùn)動能力有所提升，主要表現(xiàn)為TG 組的通氣閾相關(guān)參數(shù)指標(biāo)即VT、vVT 和VT/VO2max升高，以及通氣閾出現(xiàn)時(shí)間和遞增負(fù)荷運(yùn)動持續(xù)時(shí)間顯著延長。VT 主要受骨骼肌血流和肌細(xì)胞代謝水平等外周因素影響，在相同運(yùn)動強(qiáng)度下IMRT提高了運(yùn)動肌對氧氣的利用能力；從能量代謝角度來說，吸氣肌訓(xùn)練推遲了機(jī)體由有氧代謝供能到大量動用無氧代謝供能的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此VT相關(guān)指標(biāo)有所提升。本研究結(jié)果與以往研究有所不同，Hartz 等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)秀運(yùn)動員吸氣肌訓(xùn)練后VT 沒有變化，這主要由于其VT 在IMRT 前已經(jīng)處于較高水平，IMRT 后很難得到改善。Edwards 等[16]的研究發(fā)現(xiàn)，吸氣肌訓(xùn)練結(jié)合傳統(tǒng)骨骼肌訓(xùn)練與單獨(dú)進(jìn)行骨骼肌訓(xùn)練相比VT 無顯著差異，這說明IMRT 效應(yīng)可能被額外的骨骼肌訓(xùn)練效應(yīng)所掩蓋。本研究結(jié)果與以上研究結(jié)果不同，原因在于本研究選擇了不同的受試群體（即無訓(xùn)練經(jīng)歷青年男性）單獨(dú)進(jìn)行吸氣肌訓(xùn)練。

本研究中VO2max相關(guān)參數(shù)并沒有隨訓(xùn)練有所增加，這與以往的研究結(jié)果一致[5，17]，其原因可能與VO2max的影響因素有關(guān)。VO2max主要受心輸出量等因素影響，而既往研究已表明IMRT并不能導(dǎo)致心輸出量增加[18]，因此VO2max的提高可能需要更直接的心血管刺激。

3.2 IMRT對青年男性肺功能和吸氣肌力量的影響

本研究中，不同強(qiáng)度吸氣肌訓(xùn)練后，兩組受試者的肺功能和吸氣肌力量均有所提高，具體表現(xiàn)為FEV1、FEV1/FVC 和MIP 升高。研究表明[19]，呼吸肌與骨骼肌一樣，在遵循骨骼肌訓(xùn)練原則的基礎(chǔ)上，通過特定的訓(xùn)練形式可以提高膈肌力量，因此IMRT有效提高了吸氣肌力量。根據(jù)牽張反射原理以及長度-張力關(guān)系，吸氣肌力量的增強(qiáng)亦反射性地使呼氣肌功能變強(qiáng)，進(jìn)而使得整個呼吸過程收縮速度加快，肺通氣效率提高，這與以往研究結(jié)果一致[1，20，21]。肺通氣效率的提高強(qiáng)化了機(jī)體的攜氧能力，在相同條件下，機(jī)體在運(yùn)動過程中獲取更多氧氣，因而有氧運(yùn)動能力得以提升。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)，CG組采用15%MIP同樣可以引起FEV1、FEV1/FVC和MIP顯著提高。根據(jù)力量-速度曲線，吸氣肌的訓(xùn)練模式可以使受試者在低阻力下產(chǎn)生更快的收縮速度，因此CG組的肺功能和MIP也出現(xiàn)相應(yīng)的提高。Archiza 等[7]認(rèn)為，CG 組MIP 的增加表明沒有經(jīng)歷過吸氣肌訓(xùn)練的受試者，即使少量的壓力強(qiáng)度也會由于呼吸模式的強(qiáng)化訓(xùn)練增強(qiáng)神經(jīng)肌肉招募模式的改善。本研究中肺功能實(shí)驗(yàn)中TG組的FEV1/FVC和MIP 顯著高于CG 組，吸氣肌力量實(shí)驗(yàn)中TG 組在干預(yù)4 周、6 周和8 周后均高于CG 組，表明高強(qiáng)度吸氣肌訓(xùn)練在提高青年男性的肺功能和吸氣肌力量方面效果更佳。

3.3 IMRT提高青年男性有氧運(yùn)動能力的可能機(jī)制

本研究結(jié)果表明，單獨(dú)進(jìn)行IMRT可以提升青年男性的有氧運(yùn)動能力。既往研究表明，在大強(qiáng)度運(yùn)動中呼吸肌耗氧量占總耗氧量的10%～15%，占心輸出量的14%～16%[22]。膈肌作為呼吸肌的主要部分，其肌纖維結(jié)構(gòu)決定了其在常規(guī)運(yùn)動強(qiáng)度下具有較好的抗疲勞能力[23]。但是當(dāng)運(yùn)動強(qiáng)度增大時(shí)，在有限的心輸出量下，呼吸肌與運(yùn)動肌存在競爭[24]，心輸出量重新分配到四肢運(yùn)動肌的血流量增加，進(jìn)而剝奪了呼吸肌足夠的血量，導(dǎo)致呼吸肌氧供降低，即出現(xiàn)所謂的“竊血理論”，造成呼吸肌疲勞。而呼吸肌的疲勞啟動了呼吸的代謝性反射[25]，一方面這種反射傳入大腦皮層，從而抑制中樞呼吸驅(qū)動，減少肌肉做功[26]；另一方面，機(jī)體代謝產(chǎn)物的堆積引起交感神經(jīng)興奮，從而引起運(yùn)動肌群的血管收縮，導(dǎo)致血液傳導(dǎo)性降低和四肢血流量減少，運(yùn)動肌因氧供不足導(dǎo)致肌肉利用氧的能力下降[25]。因此，呼吸肌的疲勞成為限制運(yùn)動能力的重要因素之一。IMRT后呼吸肌做功能力和肺通氣效率提高，降低了劇烈運(yùn)動時(shí)吸氣肌的代謝需求。而代謝產(chǎn)物的減少進(jìn)一步降低了對呼吸肌代謝性感受器的刺激，并提高代謝性反射激活的閾值。以往研究表明，IMRT能減弱呼吸肌代謝反射[25]，并通過測量運(yùn)動過程中呼吸肌的肌電，發(fā)現(xiàn)IMRT 后呼吸肌在高強(qiáng)度運(yùn)動中對抗疲勞的能力有所增強(qiáng)[27]。這些有利因素降低了大腦中樞的呼吸抑制和運(yùn)動肌血流量減少的損害，進(jìn)而提高了運(yùn)動肌的氧利用率，這一系列的改善延緩了機(jī)體從有氧代謝到無氧代謝的進(jìn)度并最終引起有氧運(yùn)動能力提升。

4 結(jié)論

8 周高強(qiáng)度（閾值強(qiáng)度）吸氣肌訓(xùn)練有助于提高人體的心肺聯(lián)合機(jī)能；高強(qiáng)度和低強(qiáng)度的吸氣肌訓(xùn)練均對肺功能的第一秒用力呼氣容積和1 秒率有積極影響，但是高強(qiáng)度的吸氣肌訓(xùn)練對青年男性肺通氣效率（一秒率）的影響更為顯著；與低強(qiáng)度吸氣肌訓(xùn)練相比，高強(qiáng)度吸氣肌訓(xùn)練更能提高青年男性的吸氣肌力量。