基于身高、體重及肺活量的大學(xué)一年級(jí)男生最大攝氧量推算方法研究

王念輝洪平蘇中軍

1臨沂大學(xué)體育與健康學(xué)院（山東臨沂276000）

2國(guó)家體育總局冬季運(yùn)動(dòng)管理中心（北京100044）

3溫州大學(xué)體育學(xué)院（浙江溫州325035）

4國(guó)家體育總局體育科學(xué)研究所（北京100061）

最大攝氧量（maximal oxygen uptake，VO2max）是身體活動(dòng)能力和心肺適能主要的預(yù)測(cè)指標(biāo)，同時(shí)也是心血管健康的獨(dú)立預(yù)測(cè)指標(biāo)[1]。低心肺適能是全因死亡率的主要危險(xiǎn)因子，比吸煙、高血壓及肥胖更能解釋死亡原因[2]。由于測(cè)量最大攝氧量不但需要受試者盡最大努力、具有潛在的危險(xiǎn)性，同時(shí)需要特殊的方法和設(shè)備，如跑臺(tái)、自行車或者氣體分析儀，所以最大攝氧量的測(cè)量往往局限于實(shí)驗(yàn)室，而在普通人或臨床實(shí)踐上很少應(yīng)用[3，4]。因此，在流行病學(xué)研究中推算最大攝氧量便顯得尤為重要。雖然已有推測(cè)最大攝氧量的相關(guān)研究，但因?yàn)槿孕枰龃巫畲髲?qiáng)度的運(yùn)動(dòng)和較為復(fù)雜的設(shè)備而不可行[5]。本研究旨在比較Astrand推算法[6]與直接測(cè)量法測(cè)試結(jié)果有無差異，構(gòu)建簡(jiǎn)單、低風(fēng)險(xiǎn)、易于操作的最大攝氧量推測(cè)方法。本研究的理論出發(fā)點(diǎn)基于影響最大攝氧量的因素，如性別[7，8]、年齡[9]、身高[9]、體重[9]，另外，通氣功能[10]（如肺潮氣量和呼吸頻率）也與最大攝氧量有非常顯著性相關(guān)關(guān)系。

1 對(duì)象與方法

1.1 受試對(duì)象

本研究隨機(jī)選取某高校體育教育、社會(huì)體育專業(yè)1年級(jí)學(xué)生128名（男88名，女40名），受試者均了解實(shí)驗(yàn)過程及目的，并掌握肺活量的正確測(cè)量方法，實(shí)驗(yàn)前1天受試者禁止大強(qiáng)度體育活動(dòng)、熬夜，避免感冒或身體任何不適現(xiàn)象，所有受試者健康，沒有服用任何影響攝氧量和呼吸機(jī)能的藥物，3小時(shí)內(nèi)未進(jìn)食。受試者基本資料見表1。

表1 受試者基本資料

1.2 測(cè)量與計(jì)算方法

1.2.1 體重和身高測(cè)量

身高、體重測(cè)量時(shí)受試者身穿輕質(zhì)衣服，結(jié)果精確到小數(shù)點(diǎn)后一位小數(shù)，均測(cè)量?jī)纱?，取其平均值作為分析?shù)據(jù)；年齡采用受試者自報(bào)的方法獲??；身體質(zhì)量指數(shù)用體重（千克）除以身高（米）的平方獲得；受試者體表面積采用許文生氏公式[11]：體表面積（m2）=0.0061×身高（cm）＋0.0128×體重（kg）－0.1529；肺活量測(cè)量方法采用國(guó)民體質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)（健民牌）進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)房間通風(fēng)良好，溫度適宜，正式測(cè)量前受試者先進(jìn)行1～2次深呼吸，然后盡最大能力吸氣后再盡最大能力呼氣，呼氣末可以彎腰以便盡可能多地呼出氣量，測(cè)量2次，取平均值作為分析數(shù)據(jù)，整個(gè)過程中受試者不必緊張，結(jié)果精確到整數(shù)。

1.2.2 間接法（Astrand推算法）推算最大攝氧量

該測(cè)量方法依據(jù)Astrand-Ryhming[6，12]提出、肖國(guó)強(qiáng)[13]總結(jié)及Monark 839E功率自行車測(cè)量程序制定。所有測(cè)試均在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，保持通風(fēng)及室溫環(huán)境，受試者衣服適當(dāng)，調(diào)整好車座和扶手后（記下車座高度），靜坐5分鐘后開始正式測(cè)量最大攝氧量，測(cè)試過程中蹬車頻率為60 rpm，polar表（芬蘭S10）監(jiān)測(cè)心率，控制心率為120～170次/分鐘，起始負(fù)荷男性為600 kpm/min，女性為300 kpm/min，前3分鐘蹬車過程中根據(jù)心率調(diào)整負(fù)荷，使心率控制在120次/分鐘以上，然后按照最后負(fù)荷再持續(xù)蹬車3分鐘或直到測(cè)量結(jié)束，并保證最后兩分鐘的最大心率差≤5次/分鐘。測(cè)試過程中保持室內(nèi)安靜，減少外界對(duì)受試者心率的影響。為便于比較，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)值作為分析數(shù)據(jù)。

1.2.3 直接法（每口吸氣法）測(cè)量最大攝氧量

直接測(cè)量法所需儀器為美國(guó)MAX-II，提前1小時(shí)預(yù)熱儀器，進(jìn)行氣體成分和氣壓校正后準(zhǔn)備正式測(cè)量。為避免測(cè)量間的干擾，在間接推算法測(cè)量結(jié)束1天后，受試者再次來到實(shí)驗(yàn)室。先將主觀疲勞感覺等級(jí)（RPE）意義介紹給受試者，為避免生物節(jié)律的影響，所有受試者均在一天中同一時(shí)間測(cè)量，先將車座高度和把手位置調(diào)整好（同間接測(cè)量法），受試者進(jìn)行5分鐘的熱身活動(dòng)后正式進(jìn)行蹬車運(yùn)動(dòng)，起始負(fù)荷男、女分別為70 W和50 W，遞增方法為每3分鐘男、女分別增加30 W和20 W，每3秒鐘記錄一次結(jié)果，直到受試者運(yùn)動(dòng)力竭，記錄最后30秒內(nèi)的相對(duì)攝氧量最大值作為分析數(shù)據(jù)。運(yùn)動(dòng)過程中，采用polar表（芬蘭S10）監(jiān)測(cè)心率，蹬車頻率控制在60 rpm并給予口頭鼓勵(lì)。停止測(cè)量后，讓受試者以50 W負(fù)荷蹬車5分鐘作為整理活動(dòng)。

力竭或達(dá)到最大攝氧量的判斷標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）隨著負(fù)荷增加受試者攝氧量出現(xiàn)平臺(tái)期；（2）呼吸商＞1.10；（3）心率達(dá)到180次/分鐘以上；（4）主觀疲勞感覺等級(jí)（RPE）＞16。同時(shí)滿足以上3個(gè)即可判定達(dá)到最大攝氧量要求。

2 數(shù)據(jù)分析與模型構(gòu)建

2.1 Astrand推算法與直接法測(cè)量最大攝氧量比較

由于直接測(cè)量最大攝氧量耗時(shí)耗力，為驗(yàn)證能否用Astrand推算法代替直接測(cè)量法求得最大攝氧量，進(jìn)而計(jì)算最大攝氧量回歸方程，所以先比較Astrand推算法與直接測(cè)量法兩種方法所得最大攝氧量是否有顯著性差異。若無顯著性差異，則采用間接法代替直接測(cè)量法測(cè)量最大攝氧量；反之，則采用直接測(cè)量法測(cè)量最大攝氧量。

為減少由于受試者個(gè)體差異導(dǎo)致的Astrand推算法與直接測(cè)量法對(duì)最大攝氧量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，本部分測(cè)試采用同一批受試者，先進(jìn)行Astrand法推算最大攝氧量，洗脫1天后再進(jìn)行直接法測(cè)量最大攝氧量，兩次結(jié)果采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)分析其差異性，Gpower3.0.10計(jì)算最小樣本量為每組17人，為探討性別對(duì)最大攝氧量的影響，故男、女各隨機(jī)選取17名受試者，受試者資料如表2所示，且與總體受試者基本資料無顯著性差異（P＞0.05）。

表2 隨機(jī)選取的男、女受試者基本資料

表3顯示，Astrand推算法和直接測(cè)量法所得男性VO2max相對(duì)值無顯著性差異（P＞0.05），即男性無方法學(xué)上的差異，95%可信區(qū)間為-9.09～0.34，包含“0”點(diǎn)；而女性有方法學(xué)差異，95%可信區(qū)間為8.05～16.98，不包含“0”點(diǎn)，Astrand推算法比直接測(cè)量法求得最大攝氧量相對(duì)值高38.3%。

表3 Astrand推算法和直接法測(cè)量VO2max結(jié)果比較

2.2 相關(guān)分析與模型構(gòu)建

2.2.1 潛在影響因素與最大攝氧量相關(guān)性分析

身高、體重、體表面積、BMI及肺活量是影響最大攝氧量的潛在因素，與最大攝氧量的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析，為排除性別的影響，本部分同樣分別對(duì)男、女進(jìn)行相關(guān)性分析，P＜0.05為顯著性相關(guān)。

由表4可知，BMI、體表面積、肺活量及體重與最大攝氧量相關(guān)性分析中顯示出性別差異，男性上述指標(biāo)均與最大攝氧量呈非常顯著性相關(guān)（P＜0.01），而女性上述指標(biāo)則不存在顯著性相關(guān)（P＞0.05）。

表4 潛在影響因素與最大攝氧量相關(guān)性分析結(jié)果

2.2.2 模型構(gòu)建

采用多元線性回歸模型對(duì)以最大攝氧量為因變量，BMI、體表面積、肺活量及體重為自變量進(jìn)行相關(guān)性分析，為保證按相關(guān)性強(qiáng)弱進(jìn)行最大攝氧量推測(cè)模型的構(gòu)建，自變量進(jìn)入回歸模型的方法為Forward法（F=0.05進(jìn)入，F(xiàn)=0.1剔除），結(jié)果見表5。

由表5可以看出，多元線性回歸分析結(jié)果顯示：男性回歸方程及回歸系數(shù)的檢驗(yàn)結(jié)果均呈非常顯著性差異（P＜0.01），擬合度調(diào)整系數(shù)為0.484，擬合度尚可，Durbin-Watson及VIF分別為1.833和1.201，擬合方程有效，故得出男性推算最大攝氧量回歸方程為：y=34.812+0.015×肺活量（ml）－40.403×體表面積（m2）；而女性方程檢驗(yàn)、回歸系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果均無顯著性差異（P＞0.05），擬合度調(diào)整系數(shù)為 0.035，Durbin-Watson為2.257，方程VIF無結(jié)果，故擬合方程無效。

表5 最大攝氧量多元線性回歸分析結(jié)果

3 回歸方程檢驗(yàn)

本部分研究依據(jù)Gpower3.0.10，計(jì)算最小樣本量為17，故隨機(jī)在同年級(jí)再次招募17名符合條件的男性，先進(jìn)行基本資料測(cè)試（方法同前），身高、體重、年齡及肺活量與總體樣本無顯著性差異（P＞0.05），果如表6所示。詳細(xì)介紹本研究目的及5分鐘熱身后用直接法（方法及最大攝氧量判斷標(biāo)準(zhǔn)同前）開始測(cè)量最大攝氧量，并將結(jié)果與本研究回歸方程推算的最大攝氧量進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)回歸方程的有效性，P＜0.05為顯著性差異，檢驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7顯示，P=0.271，且95%置信區(qū)間為－4.78～1.44，包含“0”點(diǎn)，回歸方程推算法與直接測(cè)量法得到的最大攝氧量相對(duì)值無顯著性差異（P＞0.05），說明本研究得到的推算體育教育、社會(huì)體育專業(yè)健康大一男性最大攝氧量相對(duì)值回歸方程有效。

表6 男性受試者基本資料（n=17）

表7 回歸方程推算與直接測(cè)量法所得最大攝氧量相對(duì)值比較（n=17）

4 分析討論

最大攝氧量是人體在進(jìn)行有大肌肉群參與的長(zhǎng)時(shí)間劇烈運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)心肺功能和肌肉利用氧的能力達(dá)到人體極限水平時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)（每分鐘）所能攝取并被機(jī)體利用的氧氣量，是評(píng)價(jià)心肺適能的重要健康指標(biāo)[14]。考慮到直接測(cè)量最大攝氧量的方法存在諸如設(shè)備、風(fēng)險(xiǎn)等不利因素[15]，許多學(xué)者已經(jīng)研究并探討了間接推算最大攝氧量的方法[16，17]。這些方法是基于次最大強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)方法，要么使呼吸要么使心率達(dá)到一定穩(wěn)態(tài)，根據(jù)心率-功率-攝氧量之間的線性關(guān)系，進(jìn)而推算出最大攝氧量。最具代表性的是Astrand推算法[6]，其原理是利用個(gè)性化的次最大運(yùn)動(dòng)負(fù)荷蹬車6分鐘，使心率達(dá)到一定的穩(wěn)態(tài)時(shí)推算最大攝氧量。通過次最大運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度推算最大攝氧量的方法有一些局限性，如個(gè)體間存在運(yùn)動(dòng)經(jīng)濟(jì)化的差異，當(dāng)進(jìn)行臺(tái)階或蹬車等定量負(fù)重運(yùn)動(dòng)時(shí)個(gè)體的心率應(yīng)答存在較大變異，而且用絕對(duì)次最大心率與次最大攝氧量之間的線性關(guān)系推測(cè)最大攝氧量時(shí)，次最大心率容易受周圍環(huán)境溫度、神經(jīng)及心理狀態(tài)等因素影響。為克服用絕對(duì)心率推算最大攝氧量存在的缺陷，Ekblom-Bak等[4]用3種不同的負(fù)荷進(jìn)行蹬車運(yùn)動(dòng)，根據(jù)心率差（△HR）、做功功率差（△P），利用多元線性回歸推測(cè)建立的回歸方程推算最大攝氧量具有較好的可靠性及準(zhǔn)確性。但分析后不難發(fā)現(xiàn)，這些間接推算方法仍然需要復(fù)雜的儀器設(shè)備、次最大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)、需要較長(zhǎng)時(shí)間及測(cè)試場(chǎng)所固定在實(shí)驗(yàn)室等，同樣制約了最大攝氧量在流行病學(xué)研究及普通人群中的實(shí)際應(yīng)用。

研究證明許多因素影響最大攝氧量，包括身高、體重、性別、年齡及肺活量等[14，18-20]。這些影響因素中包含身體形態(tài)指標(biāo)和功能指標(biāo)（訓(xùn)練因素）。馬紅梅[18]研究發(fā)現(xiàn)，最大攝氧量相對(duì)值與男、女生BMI呈負(fù)相關(guān)，但不具顯著性；男大學(xué)生最大攝氧量絕對(duì)值與胸圍顯著相關(guān)；男大學(xué)生最大攝氧量絕對(duì)值與肺活量顯著相關(guān)。雖然作者得到了最大攝氧量的回歸方程，但兩個(gè)回歸方程中的自變量?jī)H包含一個(gè)，分別是胸圍（Y=-2376.011+67.344X）和肺活量（Y=744.694+0.686X），實(shí)際應(yīng)用中存在較大局限性。最大攝氧量不僅與身體形態(tài)有關(guān)，同時(shí)最大攝氧量具有可訓(xùn)練性，因此，理想的回歸方程自變量應(yīng)當(dāng)同時(shí)包括形態(tài)和呼吸功能指標(biāo)。

本研究首先比較Astrand推算法和直接測(cè)量法所得到的大學(xué)生最大攝氧量相對(duì)值的差異性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種測(cè)量法測(cè)得男大學(xué)生VO2max相對(duì)值無顯著性差異，而女大學(xué)生卻存在顯著性差異，因此，對(duì)男大學(xué)生用Astrand推算法的結(jié)果數(shù)據(jù)代替直接測(cè)量數(shù)據(jù)繼續(xù)探討最大攝氧量與身體形態(tài)、呼吸功能（肺活量）的相關(guān)性及回歸分析。Pearson相關(guān)性分析表明，男大學(xué)生VO2max相對(duì)值與BMI、體表面積、體重及肺活量均呈非常顯著性相關(guān)（P＜0.01），而女大學(xué)生VO2max相對(duì)值與上述指標(biāo)不存在顯著相關(guān)性（P＞0.05）；然后用Forward方法按影響指標(biāo)的重要性依次進(jìn)入回歸方程，最終只有肺活量和體表面積進(jìn)入回歸方程，故得出推算男性最大攝氧量相對(duì)值的回歸方程為：y=34.812+0.015×肺活量（ml）－40.403×體表面積（m2），并最后證明了回歸方程的有效性。本次研究所得回歸方程包括體表面積和肺活量?jī)蓚€(gè)自變量，且VO2max相對(duì)值與體表面積負(fù)相關(guān)，與肺活量正相關(guān)。研究已證明耐力運(yùn)動(dòng)可增大受試者的肺活量，所以耐力運(yùn)動(dòng)同樣可增大受試者的最大攝氧量，因此回歸方程可以部分地解釋耐力運(yùn)動(dòng)與最大攝氧量的關(guān)系；體表面積是身體形態(tài)指標(biāo)，與VO2max相對(duì)值呈負(fù)相關(guān)，考慮到肌肉是消耗氧氣的主要器官之一，但所得推算方程中變量包含體重，作為探索性研究并沒有細(xì)化到瘦體重。研究表明腹部肥胖[19]、脂肪含量[21]或身體成分[22]均顯著影響最大攝氧量的測(cè)量值，所以未來研究影響最大攝氧量的身體形態(tài)時(shí)應(yīng)細(xì)化到上述因素，進(jìn)一步建立推算最大攝氧量的更為精確的回歸方程，所以要在保證需要盡可能簡(jiǎn)單器材的前提下做進(jìn)一步研究。

5 不足與展望

（1）肌肉量是影響最大攝氧量的重要因素之一，而本研究沒有測(cè)量受試者體成分中肌肉與脂肪含量及百分比，未來研究時(shí)，利用肺活量及肌肉量作為自變量進(jìn)行多元回歸分析得出的最大攝氧量回歸方程可以提高間接推算值的精確度。

（2）本研究受試者僅局限于體育教育、社會(huì)體育大一新生，未來研究應(yīng)增加樣本多樣性，將年齡作為自變量，進(jìn)一步進(jìn)行多元線性回歸，計(jì)算回歸方程，以建立適用所有年齡段，尤其是針對(duì)老年人的最大攝氧量推算回歸方程。

（3）本研究沒有得到推算女大學(xué)生最大攝氧量的回歸方程，針對(duì)女性，尚需開展較多研究工作，尋找與女性最大攝氧量有關(guān)的影響因素，以建立適應(yīng)女性最大攝氧量推算的回歸方程。