劉剛 李煥品 李稚

摘 要：對MAXⅡ和Vmax Spectra 229D兩種心肺功能測試儀的主要測試指標進行對比分析。22名受試者分別進行2次獨立的跑臺遞增負荷運動測試，同時采集記錄相關參數(shù)指標。結果發(fā)現(xiàn)：2次測試時受試者的HRmax和RPEimpex無顯著差異，但BLAimpex和Tmax存在非常顯著性差異；除RQmax、BFmax兩儀器間無差異外，MaxⅡ儀器測試的O2max/kg、VCO2max、VEmax（P<0.01）和O2max指標（P

關鍵詞： MAXⅡ；Vmax Spectra 229D；運動測試；有氧能力

中圖分類號： G 804.2 文章編號：1009783X（2015）02016005 文獻標志碼： A

Abstract：The purpose of this study is to compare and assess the agreement between gas exchange variables measured by the AEI MAXII and the Sensormedics Vmax Spectra 229D cardiorespiratory function testing instruments.Twentytwo physically fit subjects performed an incremental treadmill exercise test to volitional fatigue on two separate occasions.The results indicate that O2max/kg，VCO2max，VEmax（P

Keywords：MAXⅡ；Vmax SPectra 229D；exercise measurement；aerobic caPacity

收稿日期：20140722

作者簡介：劉剛（1978—），男，山東日照人，碩士，助理研究員，研究方向機能測試與評價；李煥品（1979—）女，河南洛陽人，碩士，副教授，研究方向為體適能與健康；李稚（1977—），女，廣西柳州人，碩士，副研究員，研究方向運動性疲勞與恢復及訓練監(jiān)控。

作者單位：1廣東省體育科學研究所，廣東廣州 510663；2湖南科技學院體育系，湖南永州 425199

1. Guangdong SPorts Science and Research Institute，Guangzhou 510663，China；2. Hunan University of Science and Engineering，Yongzhou 425100，China. 運動的氣體交換測量可用于評價個體的心肺適能和有氧能力[12]。運動氣體代謝測試技術經(jīng)歷了幾個階段的發(fā)展，從早期的道格拉斯氣袋法、混合室法，到如今日益成熟的逐次呼吸測試法（breath by breath），實現(xiàn)了巨大的飛躍。逐次呼吸法的提出到現(xiàn)在也經(jīng)歷了3個發(fā)展階段：第1階段的小混合室法（采用封閉模式技術）；第2階段的微型混合室法（采用開放模式技術）；第3階段的無混合室法（采用開放模式最新技術）[34]。

伴隨著氣體代謝測試技術的發(fā)展，許多品牌的心肺功能儀產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)；但由于商業(yè)原因，許多儀器的分析、原理和計算方法等內(nèi)容都未公開[5]，而且相關儀器的信度和效度研究及不同儀器間比較的研究有限，且結論也不一致[46]。由于這些信息的重要性，研究人員有必要親歷親為對儀器進行性能驗證和分析比較。美國AEI Technologies公司的MAXⅡ心肺功能測試儀采用breath by breath測試技術（高速、低阻抗4.2 L小混合室法）[7]，為廣東省體育科學研究所近年添置的測試設備。盡管MAXⅡ儀器的國內(nèi)、外用戶數(shù)量不少，但關于該儀器的基礎評價和應用研究的文獻報道不多[812]。Vmax Spectra 229D心肺功能測試儀為實驗室早先添置的測試設備（美國Sensormedics公司產(chǎn)品，采用breath by breath測試技術的微型混合室法），已使用多年且涉及該儀器應用的文獻報道眾多[1321]。為了更好地提供測試服務，基于MAXⅡ儀器實驗室環(huán)境下的穩(wěn)定性評價（同期進行的試驗研究），本研究對該儀器與Vmax Spectra 229D儀器的氣體測試指標進行比對分析，希望為MAXⅡ儀器的進一步應用提供支持，也為不同儀器的測試數(shù)據(jù)管理和代替使用提供參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

考慮到先前和將來的實際應用服務中涉及男女受試者，同時基于攝氧量水平的性別差異，研究應在更寬廣的范圍內(nèi)對兩種儀器進行比對。此次測試選擇廣東省體育職業(yè)技術學院的男女大學生志愿者各11人。平均年齡為（21.18±1.14）歲，平均身高為（168.05±7.14）cm，平均體重為（59.68±10.26）kg，見表1。受試者身體健康，有一定的運動基礎，口頭詢問其健康狀況，排除其心血管系統(tǒng)疾病、呼吸系統(tǒng)疾病及遺傳性疾病等影響，女生排除測試期間的月經(jīng)影響。

表 1 受試者基本資料

1.2 研究方法

1.2.1 測試方案和環(huán)境

測試在廣東省體育科學研究所實驗室進行（確保測試期間實驗室環(huán)境一致，溫度均控制在20～28 ℃，濕度控制在50%～60%）。測試日期為2009年9月10日—2009年9月19日，統(tǒng)一時間為09：00-11：30，14：00-17：00，受試者的測試順序和測試時間抽簽確定后，保持不變。由于同期的試驗設計也兼顧了AEI MAXⅡ系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究，因此受試者都先采用了MAXⅡ儀器進行測試，然后采用Vmax Spectra 229D儀器進行測試，2次測試間隔3 d。

1.2.2 測試前準備工作

所有針對受試者的準備工作內(nèi)容一致，包括：1）詳細解釋試驗內(nèi)容和測試程序，記錄受試者基本資料；2）告知試驗須知相關內(nèi)容，嚴禁受試者測試前24 h參加劇烈活動、服用藥物、飲用咖啡或酒精、吸煙，正常睡眠作息；3）抽簽確定受試者測試順序；4）安排受試者2次跑臺（德國h/p/cosmos公司產(chǎn)品）運動練習（速度不超過10 km·h-1）至熟練；5）受試者體驗2種測試系統(tǒng)的呼吸方式：Vmax SPectra 229D儀器采用面罩（ORONASAL MASK） 呼吸（美國Hans Rudolph公司，8930系列）和配套的頭罩固定（美國Hans Rudolph公司，200526 head cap），而 MAXⅡ儀器采用口嘴（mouthpiece）呼吸和配套的頭箍固定（美國Hans Rudolph公司，2726 headgear），同時用鼻夾夾住鼻子；6）受試者熟悉Borgs RPE 量表（15點法）的使用。

1.2.3 測試日工作

各測試日工作一致。至少提前30 min儀器開機預熱，并依據(jù)各自儀器的操作規(guī)范進行流量定標（3 L定標筒）和氣體定標（MAXⅡ儀器和Vmax Spectra 229D儀器都進行O2和CO2傳感器自動定標，此外MAXⅡ儀器還要進行手動定標（即雙重校準），各定標氣體都由佛山MESSER公司依要求平衡法罐裝），其中流量定標在每天的上午和下午測試前各進行一次，氣體定標在每人測試前都進行。

受試者到達實驗室后取安靜心率，RPE和血乳酸值（手指取第2滴血后先保存，于當天下午由專業(yè)實驗人員于Biosen C line GP乳酸分析儀完成測試），佩戴心率表（POLAR N2965）后拉伸和準備活動5 min，隨后靜坐休息5 min，然后佩戴連接氣體采樣裝置，檢查確定舒適性與否漏氣，達到測試要求后站立跑臺，記錄安靜1 min時氣體代謝指標。

測試開始，受試者采用本實驗室改良的跑臺遞增負荷運動程序（初始8 km/h，坡度1%，坡度每級遞增1%，速度每級遞增0.8 km/h，每級維持2 min），運動至力竭終止。運動過程中提醒受試者保持精神放松及穩(wěn)定節(jié)奏，以避免因精神緊張及運動不當而過早運動終止，高負荷時對受試者不斷鼓勵，運動終止后詢問受試者，記錄運動感受和終止原因。運動中實時記錄級末心率和級末RPE值，運動后取即刻RPE，血乳酸值，并記錄運動時間。2種儀器配備各自軟件對收集數(shù)據(jù)進行處理，氣體指標測試取值時間均為每30 s 1次。

1.2.4 測試指標

最大攝氧量（O2max）、相對最大攝氧量（O2max/kg）、最大二氧化碳排出量（VCO2max）、最大呼吸商（RQmax）、最大呼吸頻率（BFmax）、最大通氣量（VEmax）、心率（安靜心率HRrest ，最大心率HRmax）、乳酸（安靜值BLArest，運動后即刻值BLAimpex）、RPE（安靜值RPErest，運動后即刻值RPEimpex）以及運動時間（Tmax）。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 11.5統(tǒng)計軟件包進行統(tǒng)計分析。經(jīng)正態(tài)分布及方差齊性檢驗后，所有數(shù)據(jù)結果用平均數(shù)±標準差表示，對兩組數(shù)據(jù)進行配對t檢驗，Pearson相關及線性回歸分析和ICC（組內(nèi)相關系數(shù)）一致性分析，P<0.05為具有顯著統(tǒng)計學意義，P<0.01為具有非常顯著的統(tǒng)計學意義[6]。

2 研究結果

確保測試環(huán)境，測試前的準備工作以及測試日工作前后一致。依據(jù)配對觀察比較試驗樣本的要求[22]和試驗控制的考慮，此次試驗選取受試者22人（試驗觀察對子數(shù)為44），剔除因漏氣、意外中斷等原因產(chǎn)生的無效數(shù)據(jù)外，最終采用的有效樣本數(shù)量為20。

2次測試的HRmax均值比較無顯著性差異（P>0.05），RPEimpex均值比較也無顯著性差異（P>0.05），但Vmax Spectra 229D儀器測試的BLAimpex非常顯著低于MAXⅡ儀器時的測試值（P<0.001），而且其Tmax也非常顯著高于MAXⅡ儀器的測試值（P<0.001），見表2。

主要氣體代謝指標O2max/kg、VCO2max、VEmax（n=20）2次測試間比較，有非常顯著性差異（P<0.001），O2max有顯著性差異（P<0.01）、0.787（P<0.001）、0.805（P<0.001）和0.778（P0.75）[2324]。

表 2 2種儀器測試時HRmax等指標比較

對2組數(shù)據(jù)進行回歸分析，可見O2max，VCO2max，VEmax3指標回歸方程中，其斜率均具有統(tǒng)計學意義（P=0.000）。直線回歸方程為：O2max指標Y=0.932X+477.764（R2 0.620）；VCO2max指標Y=0.997X+468.576（R2 0.648）；VEmax指標Y=0.771X+37.83（R2 0.605）（Y為Vmax Spectra 229D測試值，X為MAXⅡ測試值）。

對2組數(shù)據(jù)進行ICC一致性檢驗發(fā)現(xiàn)，O2max/kg 指標的ICC系數(shù)為0.57，一致性較差；O2max、VCO2max和VEmax3指標的ICC系數(shù)大于0.75，表示一致性良好[2526]，見表4。

表 4 2種儀器測試的主要氣體指標的ICC系數(shù)

3 分析討論

3.1 2次測試的運動強度和運動表現(xiàn)的比較分析

心率和乳酸是常用的反映訓練和運動強度的客觀指標，運動時心率和血乳酸濃度的變化與運動強度密切相關[2730]。RPE（rating of perceived exertion，主觀體力感覺等級）綜合了其體內(nèi)外環(huán)境信息的主觀評價，被視為有效可行的監(jiān)測運動強度的主觀指標[3032]。此次試驗選用心率、RPE、血乳酸3指標來監(jiān)測反應運動強度。

測試前受試者的HRrest、RPErest和BLArest值沒有顯著性差異（P>0.05），保證受試者測試前的基礎狀態(tài)保持一致。MAXⅡ和Vmax SPectra 229D儀器測試時的HRmax分別（191.68±7.39）b·min-1和（191.63±6.39）b·min-1，見表5，沒有顯著性差異（P>0.05）且顯著正相關（r=0.883），2次測試的最大心率都介于[（220-年齡）±10]區(qū)間，心率強度都達到了極限強度水平。RPEimpex分別為15.80±1.96，16.20±1.20，見表5，均無顯著性差異（P>0.05），主觀感覺都介于吃力與非常吃力之間。BLAimpex分別為（13.10±1.93）mmol·L-1和（11.13±1.87）mmol·L-1，都超過了10 mmol·L-1，乳酸水平都符合O2max判斷的條件[33]；但兩測試值之間具有非常顯著性的差異（P

運動時血乳酸濃度的變化不僅取決于運動的強度和持續(xù)時間，而且還受運動前飲食（肌糖原貯備）、運動過程中的情緒緊張等因素影響[30，33]。實驗期間對受試者的飲食要求盡力避免了高糖高脂飲食而對血乳酸濃度變化的影響，而且Vmax SPectra 229D儀器測試時的運動時間相對更長，但MAXⅡ儀器測試時受試者的情緒變化可能會導致血乳酸的升高：先前研究已證實了情緒緊張時可造成兒茶酚胺分泌增多進會而使血乳酸增高[34] 。運動結束后進行的詢問調(diào)查顯示，受試者對MAXⅡ儀器測試時的評價多負面，如導氣管太重、嗓子易干、唾液吞咽難、視野受限等，這些不適極有可能引起運動中的心理和情緒變化，進而引起了血乳酸的進一步升高。

出于同期進行的MAXⅡ穩(wěn)定性研究考慮，本研究采用先MaxⅡ，后Vmax Spectra 229D儀器的測試順序。盡管不是隨機選擇，但兩次測試間隔長約3 d，間歇期間受試者禁止參與劇烈運動等考慮已盡力避免前一次測試帶來的后效應，不致使影響受試者的有氧能力。研究認為后進行的Vmax Spectra 229D儀器測試時的相對低水平BLAimpex，并不是受試者有氧代謝能力提高的表現(xiàn)。

在相同遞增負荷的運動模式中，運動時間長短反應了機體運動能力的大小和總運動量[29，35]。運動時間Tmax分別為（533.32±58.55）s和（551.16±58.85）s，見表5，非常顯著性差異（P

本次研究的假設前提是受試者在2次測試的運動時間和運動表現(xiàn)相同，實際結果卻與假設不符：MAXⅡ儀器的運動時間比Vmax 229D儀器短，對大強度運動時的耐受力低。針對這一結果，可以認為可能與儀器測試時采用的通氣管和呼吸方式產(chǎn)生的影響有關聯(lián)。MAXⅡ儀器連接的吸氣和呼氣兩套管道系統(tǒng)呼吸阻力大（尤其呼吸頻率高、流速快時），客觀上受試者會因高通氣的限制而無法正常發(fā)揮其最大運動能力[36]。此外，由于通氣管相對粗而重，如果采用面罩呼吸則會因通氣管的扯動（尤其在跑臺上進行劇烈運動時）影響面罩與臉部間的密封而導致嚴重漏氣，采用口嘴呼吸和頭箍固定則可固定牢固，減少這種漏氣現(xiàn)象。不過同時卻引出另外的問題：相比較面罩呼吸口嘴呼吸有很多不適體驗（如上所述）。Hirsch等[37]及Farley等[38]的研究中都有關于不適評價的類似描述，他們認為相比口嘴呼吸，面罩呼吸更加舒適，對運動的耐受力更高，能更真實地表現(xiàn)出力竭狀態(tài)時的水平。

綜上所述，基于實驗室環(huán)境的穩(wěn)定控制和測試工作的嚴格一致，在1周內(nèi)的2次遞增負荷運動測試中，受試者測試前的初始狀態(tài)表現(xiàn)相差不大，運動中的最大心率和主觀用力感覺也沒有顯著差異；但運動后即刻血乳酸濃度和運動時間非常顯著性差異?？梢哉J為2次運動所完成的運動量和運動負荷并不完全一致，大強度運動下的耐受力和表現(xiàn)能力不同，究其原因可能與采用不同呼吸方式帶來的影響有關。

3.2 主要心肺功能測定指標的分析討論

本研究選取6項常用的心肺功能測定指標進行分析，其中代謝功能指標O2max/kg、O2max、VCO2max、RQmax（RQ等于VCO2與VO2比值），通氣功能指標VEmax、BFmax。配對t檢驗發(fā)現(xiàn)O2max/kg、VCO2max和VEmax 2次測試間有非常顯著的差異（P<0.01），O2max有顯著性差異（P

本研究認為造成這種差異的主要原因與2種儀器的原理構造不同有關。MAXⅡ系統(tǒng)采用順磁式氧分析器（Paramagnetic oxide analyzer）及壓差式流量傳感器部件，氣體交換測量采用封閉模式技術的小混合室法（混合式體積約為4.2 L）。由于混合室的大小不能夠根據(jù)潮氣量進行動態(tài)調(diào)整（使恰好等同于一口氣呼出的氣體量），物理混合的速度不能夠盡可能地快，從口腔經(jīng)呼吸管道到混合室采集的延遲時間會有波動，尤其是大通氣量下不能保證通氣測量與呼出氣平均濃度測量同步而影響氣體測量的精確度[3]212。Vmax 229D儀器采用電化學氧分析器 （electrochemical O2 analyzer） 及熱敏式流量傳感器部件采樣頻率分析能力與MAXⅡ儀器也不同。它使用開放模式的微型混合室法（約8 mL）的測量技術，其物理混合速度相比小混合室快，混合速度對測試精度的影響相對小，而且管道的延遲時間取決于計算機控制的伺服抽氣泵，也保證了大通氣量下的測試精度[3]213。影響測試差異的另一個原因可能與上述的運動表現(xiàn)不同有關，兩次運動時間和運動能力的不同自然引起了同步分析氣體指標間的差異。

Pearson相關分析主要反映變量間線性關系變化的方向和密切程度，對t檢驗顯著差異的4指標繼續(xù)進行Person相關分析，發(fā)現(xiàn)盡管O2max/kg的相關具有顯著性差異（P<0.01），但相關水平仍為低度相關（r0.75），見表3，說明這3指標2儀器測試結果之間的密切程度高。ICC（組內(nèi)相關系數(shù)）檢驗對測量的系統(tǒng)誤差和隨機誤差都敏感，被認為是評價一致性比較理想的指標[39]，對2組數(shù)據(jù)進行ICC一致性檢驗發(fā)現(xiàn)，O2max、VCO2max和VEmax3指標的ICC系數(shù)都大于0.75，一致性良好。由于Person相關和ICC檢驗應用會受到測量值范圍的局限[39]，因此對于測量范圍很小的RQmax、BFmax2指標分析的結果無法給出線性相關低和一致性差的結論；相反，基于2指標配對t檢驗結果（P>0.05，分別為0.630和0.145），可以認為此2指標數(shù)據(jù)具有較好的一致性。當然，上述指標如果能配合BlandAltman法分析，則一致性評價結論會更有說服力?；?儀器對O2max、VCO2max和VEmax 3個指標測試具有較好的一致性和相關性，通過直線回歸方程初步建立了2儀器測量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換公式，為2儀器測量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換提供了簡便方法。直線回歸方程分別為：O2max指標Y=0.932X+477.764；VCO2max指標Y=0.997X+468.576；VEmax指標Y=0.771X+37.83（Y為Vmax Spectra 229D測試值，X為MAXⅡ測試值）。

據(jù)筆者所知，MAXⅡ儀器的國內(nèi)用戶不少，包括各大體育學院、運動機構在內(nèi)都擁有MAXⅡ儀器，不過，涉及該儀器使用的文獻報道不多，期待未來針對該儀器的效度評價和應用研究能有更廣泛的討論和報道，包括針對MAXⅡ儀器使用時對運動表現(xiàn)的影響研究及面向競技體育的高水平運動員的研究等。

4 結論

基于對體育院校大學生力竭性遞跑臺增負荷運動模式下的研究，本研究認為MAXⅡ儀器與Vmax SPectra 229D儀器測試的O2max/kg、VCO2max、VEmax和O2max心肺功能峰值指標存在顯著性（或非常顯著性）差異；MAXⅡ儀器測試會普遍引起受試者的一些不適體驗，進而可能影響其大強度運動時的表現(xiàn)和相關分析結果；除O2max/kg指標外，其他心肺功能指標的測量數(shù)據(jù)相關性和一致性較好，通過公式轉(zhuǎn)換可以為不同數(shù)據(jù)比較分析和實驗室數(shù)據(jù)庫提供支持：O2max指標Y=0.932X+477.764；VCO2max指標Y=0.997X+468.576；VEmax指標Y=0.771X+37.83（Y為Vmax Spectra 229D測試值，X為MAXⅡ測試值）。

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