四肢聯動在健康青年人心肺適能評估中應用的可行性分析

錢 貞，陳 偉，李 瑾，高 民，張秋陽

最 大 攝 氧 量（maximal volume of oxygen uptake，VO2max）是在遞增負荷運動中攝入和使用氧氣的最大能力，是評價運動能力和心肺適能的金標準［1-2］。一般獲取VO2max的癥狀限制性極量運動試驗使用的是平板［3］或功率自行車［4-5］，但常規設備在很多人群中應用存在一定困難，如老年人、未受訓練的個體［6］以及腦損傷患者［7］，并且健康人的常規測試方案可能無法提供心肺適能的準確評估［3］。如果使用的運動測試方案不合適，獲得的心肺適能評估指標會存在偏差，進一步會影響運動處方的執行效果。四肢聯動是一種結合四肢的運動方式，常運用在偏癱、單純下肢功能受限患者的訓練中，目前在心肺適能評估領域的應用較為罕見。本研究旨在分析健康青年人應用四肢聯動進行癥狀限制性極量運動試驗的可行性，以探索心肺適能功能評估的適宜設備。

1 對象與方法

1.1 納入與排除標準 納入標準：（1）年齡為18～44歲；（2）愿意配合研究，并簽署知情同意書。排除標準：（1）根據美國運動醫學院（American College of Sports Medicine，ACSM）運動危險分層［8］，屬于運動期間發生心臟并發癥高風險；（2）有心血管和肺部等基礎疾??；（3）有影響運動表現的肌肉骨骼問題，如肌肉拉傷、骨折等；（4）由于身體功能限制不能使用功率自行車或四肢聯動，如肢體缺損。

1.2 研究對象 于2016年9月—2017年9月社會招募112例測試者于徐州市康復醫院進行運動測試，其中4例因不適應佩戴面罩進行運動而退出測試。108例測試者中，男60例，女48例；年齡21～35歲，平均年齡（26.9±4.5）歲；身高153～184 cm，平均身高（166.7±7.8）cm；體質量46～90 kg，平均體質量（59.2±11.8）kg；體質指數（BMI）17.1～27.9 kg/m2，平均BMI（21.2±2.8）kg/m2；已婚66例，未婚42例；職業：體力勞動12例，腦力勞動96例；ACSM運動危險分層［8］：低危96例，中危12例；文化程度：?？?8例，本科71例，研究生19例；84例有久坐習慣；30例有健身習慣；72例有不良生活習慣（吸煙、飲酒、熬夜等）。本研究經徐州市康復醫院倫理委員會批準。

1.3 研究方法 癥狀限制性極量運動試驗采用K4b2運動心肺功能測試及代謝分析系統（意大利科時邁公司），采用具有雙通道呼吸瓣膜的K4b2開放式肺活量測量計持續性收集和分析呼出和吸入的氣體，測試過程中收集平均數據，30 s/次。測試者采用PEC4850功率自行車和MINI7005四肢聯動均隨機進行2次試驗，測試時間相同，試驗間隔1～5 d［9］。測試前對K4b2運動心肺功能測試及代謝分析系統進行容量、流量、氣體定標。測試前24 h內避免進行劇烈的身體活動，6 h內禁飲咖啡及飲酒，2 h內禁止進食，但允許喝水。測試房間配備搶救藥品、除顫儀、氧氣瓶等急救設備。

1.3.1 功率自行車 根據測試者身高，調整功率自行車座椅高度，坐位高度以腳踩在踏板上轉到最低點時，膝蓋處于將近伸直但未完全伸直的狀態為宜；清潔皮膚，連接心電圖電極，戴血壓袖套以及用于收集氣體的面罩，并檢查有無漏氣；依據測試者性別、年齡、身高、體質量以及平常運動強度等選擇個體化的功率遞增方案（10～20 W/min，斜坡式遞增）。測試過程：（1）觀察并記錄測試者靜息狀態的心電圖、心率和血壓，持續1 min；（2）熱身期進行無負荷運動，患者運動速度為60 r/min，持續3 min，結束時記錄心電圖、心率和血壓等；（3）功率負荷期進行遞增運動，根據相應的功率遞增方案，持續增加功率，直至達到癥狀限制性極量運動水平或出現需要終止測試的情況，維持8～12 min，觀察并記錄心電圖和血壓，1次/2 min，密切觀察測試者的面部表情和手勢，若速度＜55 r/min，鼓勵測試者并使用計數秒表提醒保持速度；（4）運動試驗結束后，恢復期進行無負荷緩慢踏車3 min，靜息3 min，觀察癥狀、血壓、心率恢復情況。

1.3.2 四肢聯動 根據測試者下肢長度，向前或后調整四肢聯動座椅，使測試者伸膝時保持膝關節輕微彎曲，防止膝關節進入鎖膝狀態；根據測試者臂長調整臂桿長度，使測試者能夠充分地伸展和彎曲肩關節、肘關節；測試者在運動試驗開始前適應四肢聯動雙側交互運動模式以及所需保持的速度，以免影響運動表現。四肢聯動配有阻力模式顯示屏，阻力分為1～16檔，屏幕上顯示的1小格代表1檔阻力，可以手動加減阻力。測試前準備工作同功率自行車，依據測試者性別、年齡、身高、體質量以及平常運動強度等選擇個體化的阻力遞增方案（1～2檔/90 s，階梯式遞增），速度保持120踏/min［10］，若速度＜110踏/min，鼓勵測試者并使用計數秒表提醒保持速度。測試過程及監測指標均與功率自行車相同。

1.3.3 判斷依據 測試者達到癥狀限制性極量運動水平的判斷依據（至少達到1項）：（1）達到攝氧量（volume of oxygen uptake，VO2）平臺，即負荷運動最后1 min的VO2增加 ＜150 ml［11］；（2）峰值心率（HRpeak）≥最大心率（maximum heart rate，HRmax）-10［12］；（3）呼吸交換率（respiratory exchange ratio，RER）＞1.10［13］。

1.3.4 終止標準 癥狀限制性極量運動測試終止標準（出現任何1項，立即終止試驗）：（1）達到癥狀限制性極量運動水平；（2）測試者意志疲勞要求終止測試；（3）測試者不能保持規定速度［14］；（4）出現ACSM規定的絕對和相對運動終止指征［8］。

1.3.5 觀察指標 先后各進行1次功率自行車和四肢聯動，測量兩次運動試驗中的絕對峰值VO2（VO2peak）即每分鐘機體總VO2、相對VO2peak即每分鐘每公斤體質量的VO2、相對VO2peak/預測VO2（VO2pred）、峰值代謝當 量（peak metabolic equivalents，METpeak）、HRpeak、HRpeak/年齡最大預計心率（age predicted maximum heart rate，APMHR）、靜息心率（resting heart rate，HRrest）、靜息收縮壓（resting systolic blood pressure，SBPrest）、靜息舒張壓（resting diastolic blood pressure，DBPrest）、峰值收縮壓（peak systolic blood pressure，SBPpeak）、峰值舒張壓（peak diastolic blood pressure，DBPpeak）、峰值RER（RERpeak）、峰值負荷、達到絕對VO2peak的時間（timepeak）。臨床醫師采用V-斜率法（V-slope）評估無氧閾（anaerobic threshold，AT），并測量達到AT時絕對VO2（VO2AT）、相對VO2AT以及相對VO2AT/相對VO2peak。采用Borg scale自感勞累分級表［9］評估最大運動負荷時呼吸困難和腿部疲勞的自感勞累程度，評分為6～20分，6～8分為“非常輕”、9～10分為“很輕”、11～12分為“輕”、13～14分為“有點累”、15～16分為“累”、17～18分為“很累”、19～20分為“非常累”，評分越高，自感勞累程度越累。記錄測試終止的原因。

1.4 統計學方法 采用SPSS 17.0軟件進行統計學分析。計量資料以（s）表示，不同運動方式試驗結果比較采用配對t檢驗；采用Pearson相關性分析四肢聯動和功率自行車的相對VO2peak、HRpeak的相關性。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 一般資料 108例測試者均順利完成測試，達到終止標準而停止測試，未發生不良事件。使用功率自行車測試時，72例（66.7%）達到癥狀限制性極量運動水平，其中，42例（38.9%）達到1項判斷依據，30例（27.8%）達到2項判斷依據，無測試者達到VO2平臺；108例（100.0%）可以確定AT；測試終止的原因：60例（55.6%）腿部疲勞，24例（22.2%）全身疲勞，24例（22.2%）胸悶、呼吸困難。使用四肢聯動測試時，102例（94.4%）達到癥狀限制性極量運動水平，其中，66例（61.1%）達到1項判斷依據，36例（33.3%）達到2項判斷依據，無測試者達到VO2平臺；99例（91.7%）可以確定AT；測試終止的原因：30例（27.8%）腿部疲勞，60例（55.5%）全身疲勞，18例（16.7%）胸悶、呼吸困難。

2.2 功率自行車與四肢聯動試驗結果比較 功率自行車與四肢聯動的HRrest、SBPrest、DBPrest、DBPpeak比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）；功率自行車的絕對VO2peak、 相 對 VO2peak、 相 對 VO2peak/VO2pred、METpeak、HRpeak、HRpeak/APMHR、SBPpeak、RERpeak、timepeak、 絕對VO2AT、相對VO2AT、相對VO2AT/相對VO2peak低于四肢聯動，峰值負荷、呼吸困難評分、腿部疲勞評分高于四肢聯動，差異均有統計學意義（P＜0.05，見表1）。

2.3 功率自行車與四肢聯動相對VO2peak、HRpeak的相關性分析 四肢聯動的相對VO2peak與功率自行車的相對VO2peak呈正相關（r=0.881，P＜0.001，見圖1）；四肢聯動的HRpeak與功率自行車的HRpeak呈正相關（r=0.845，P＜0.001，見圖 2）。

3 討論

美國心臟協會聲明，VO2max是全因死亡率較強的預測因子之一，也是公認的整體心血管健康和功能的重要指標［15］。臨床測量VO2max較困難，所以通常采用VO2peak描述最大有氧運動能力。YATES等［16］發現采用傳統測試方式測量VO2peak存在一定難度，21%的受試者不能完成動作，從而排除測試。手臂測力計同樣可以用于測量VO2peak，但手臂測力計測量的VO2peak比跑步機測試測量的VO2peak降低高達30%～35%［17］。NOONAN等［18］認為需要一個可以適用于具有平衡障礙、肥胖、肌肉骨骼或者神經肌肉疾病的人群的標準運動測試方案。本研究使用的四肢聯動是在坐位下進行測試，對測試者平衡能力要求較低，而且坐位形式對關節沖擊力較小，對于患有關節炎或下肢關節置換的老年人而言，屬于理想的運動測試方式［19］。此外，由于四肢聯動結合了上下肢雙側交互運動，配備具有后外側緣的寬踏板以及腳部的寬束縛帶，使患有神經肌肉疾病如腦卒中、脊髓損傷患者能夠順利進行運動測試。目前四肢聯動常運用于不同功能障礙患者的康復訓練中［20］，但關于將其運用在心肺適能評估的研究目前較為少見。所以本研究分析四肢聯動在癥狀限制性極量運動測試中的可行性，以期探尋到可廣泛運用的測試設備。

本研究結果顯示，四肢聯動的相對VO2peak與功率自行車的相對VO2peak呈正相關，四肢聯動的HRpeak與功率自行車的HRpeak呈正相關，而且功率自行車的相對VO2peak、HRpeak均低于四肢聯動，與HILL等［21］使用結合上下肢的運動設備評估腦卒中患者的心肺功能的結論相似，提示健康青年人使用四肢聯動進行癥狀限制性極量運動測試是有效、可靠的，測試結果能體現測試者真實的心肺功能。本研究結果顯示，四肢聯動的相對 VO2peak為（28.2±4.8）ml·kg-1·min-1，高于功率自行車的（24.3±4.9）ml·kg-1·min-1；四肢聯動的相對VO2peak/VO2pred為（73.0%±16.0%），高于功率自行車的（62.8%±14.1%）。國外研究報道健康青年人的相對VO2peak為（55.0±1.3）ml·kg-1·min-1［22］，本研究結果明顯低于其結果，說明我國健康青年人的心肺適能較低，除人種差異外，不良生活方式（久坐、無健身習慣、吸煙、飲酒、熬夜等）也可能損害心肺健康。

表1 四肢聯動與功率自行車試驗結果比較（s）Table1 Comparison of the results between limb linkage and cycle ergometer tests

表1 四肢聯動與功率自行車試驗結果比較（s）Table1 Comparison of the results between limb linkage and cycle ergometer tests

注：VO2peak=峰值攝氧量，VO2pred=預測攝氧量，METpeak=峰值代謝當量，HRpeak=峰值心率，APMHR=年齡最大預計心率，HRrest=靜息心率，SBPrest=靜息收縮壓，DBPrest=靜息舒張壓，SBPpeak=峰值收縮壓，DBPpeak=峰值舒張壓，RERpeak=峰值呼吸交換率，timepeak=達到VO2peak的時間，VO2AT=達到無氧閾時的攝氧量；由于部分患者不能確定無氧閥，a為例數有缺失

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圖1 四肢聯動相對VO2peak與功率自行車相對VO2peak的關系的散點圖Figure1 Scatter plot of relationship of the relative VO2peak results between the limb linkage test and the cycle ergometer test

圖2 四肢聯動HRpeak與功率自行車HRpeak的關系的散點圖Figure2 Scatter plot of relationship of the HRpeak results between the limb linkage test and the cycle ergometer test

本研究結果顯示，功率自行車的相對VO2peak、HRpeak均低于四肢聯動，可能原因為：（1）四肢聯動是一種結合了雙側上下肢交互運動的設備，與單純使用雙下肢進行運動的功率自行車相比，運動過程中需要更多的肌肉群參與（增加雙上肢以及部分軀干肌群），心輸出量會隨之增加，以供應增加的肌肉耗氧；（2）本研究結果顯示，進行功率自行車測試時因腿部疲勞終止測試所占比例最高，而且功率自行車的腿部疲勞評分高于四肢聯動，即腿部疲勞感明顯重于四肢聯動，由于大部分測試者有久坐習慣而無健身習慣，導致雙下肢耐力較差，在僅依靠雙下肢的功率自行車運動中就會過早進入代謝性酸中毒狀態而終止運動，從而限制測試者達到更高的運動強度。國外研究分析平板和功率自行車獲得的VO2peak的差異原因時，提出可能由于動靜脈氧分壓差高，腿部肌肉血流量大，整體血管傳導率高［23］，脂肪氧化率高，碳水化合物氧化率低［24］，骨骼肌中的糖酵解酶活性相對高［25］，導致平板獲得的VO2peak相對高。關于是否存在類似機制從而導致四肢聯動獲得的VO2peak偏高，值得進一步深入研究。本研究結果顯示，使用四肢聯動測試時達到癥狀限制性極量運動水平的比例高于功率自行車，呼吸困難和腿部疲勞評分低于功率自行車，timepeak長于功率自行車，可能是因為四肢聯動測試中雙上肢能幫助分擔雙下肢的阻力，從而更能耐受負荷運動，運動時間更長，因此，四肢聯動即使在無運動障礙的人群中也可以幫助簡化心肺適能評估過程，發揮更好的運動能力。

綜上所述，四肢聯動在測量健康青年人心肺適能方面是安全、有效、可行的，將為臨床醫生提供一種可替代的運動測試方法，以便制定個體化更精確的運動處方，進一步優化各種人群的健康生活方式干預策略。此外，由于四肢聯動采取的是坐位、四肢交互運動的方式，可能使某些特殊群體（如腦卒中、多發性硬化、脊髓損傷患者）的心肺運動試驗更加容易進行，獲得的測試數據更加準確。本研究的局限性在于樣本量小，并且只招募了青年人，限制了研究結果在整個人群中的推廣，今后的研究將進一步擴大樣本量以求證測試結果，或關注其他群體是否能從運動測試或開具的運動處方中獲益。

作者貢獻：錢貞、張秋陽進行文章的構思與設計，研究的實施與可行性分析；錢貞進行數據收集與整理，撰寫論文；錢貞、李瑾進行統計學處理，結果的分析與解釋；陳偉、高民進行論文的修訂；張秋陽負責文章的質量控制及審校，對文章整體負責，監督管理。

本文無利益沖突。