CN107291656A - 一种心肺功能的运动测试方案和计算方法 - Google Patents

Abstract

一种心肺功能的运动测试方案和计算方法，属于健康评估的领域。最大摄氧量是有氧运动能力的关键评价指标，是反应运动心肺功能的核心指标，而且在全因死亡归因分析中，低心肺功能是居首位的全因死亡因素，因此对运动心肺功能的评价非常有必要。然而，直接测试摄氧量，需要非常精密的仪器，设备昂贵，无法在大众健身领域应用。而本方法中，深入研究以往方法的不足，制定了次大强度运动下测量最大摄氧量的递增负荷方案，在小负荷(25W)运动后观察心率反应的基础上，确定第2级负荷的负荷，同时开放测试的阶段，确保能够采集到有效的数据；在此基础上，根据测试所得得结果，提供了最大摄氧量的新的计算方法，采用多点回归的方法，极大减少了以往两点计算中由于心率波动造成的误差。

Description

一种心肺功能的运动测试方案和计算方法

技术领域

一种心肺功能的运动测试方案和计算方法，属于健康评估的领域。最大摄氧量是运动心肺功能的典型指标，而心肺功能差是全因死亡率中的首要归因因素，因此测试和评价最大摄氧量具有非常重要的意义。

目前，中国人群的最大摄氧量标准并没有大样本直接测试的结果作为依据，而间接推算的方法，也没有能够统一推行且大范围应用的。国民体质中的台阶试验，虽有大范围的测试，但也有以下问题：(1)年龄限制，最高年龄到59岁；(2)有一定风险，尤其对于心肺功能较差的人；(3)测试后期，由于疲劳，无法保持既定的登台阶频率。美国运动医学会(ACSM)推行的经典YMCA方案，引入中国后，由于负荷较大，不适合中国人群，很多人无法完成至少3级测试，导致测试结果不准确，有些女性，甚至连2级负荷都无法完成。《运动处方》教材中推荐的针对中国人群的二次负荷方案，通过较大范围的测试验证，其推测值明显偏高，测试结果的评价与正态分布偏离很大。其他一些间接推算的方法，如12分钟跑，1.6公里步行等，应用范围更小。

背景技术

1摄氧量及最大摄氧量

摄氧量，是指在单位时间内，机体摄取和利用的氧气量。氧气的摄取依靠呼吸系统，氧气吸入到肺后，在肺泡与肺静脉血液进行气体交换，使得血液的氧含量增加，然后随着血液循环，流到需要摄氧供能的组织器官(主要是肌肉组织)，组织利用氧气对代谢底物进行有氧氧化，产生出生命活动所需的能量，同时氧气转为二氧化碳，又随血液经肺排出体外，具体流转过程见图1。

最大摄氧量，是指在呼吸系统、循环系统、肌肉组织等充分动员的情况下，单位时间内(1分钟)，身体所能摄取的最大氧气量。是在渐增负荷的运动中，当受试者已经尽了最大努力，但依然无法保持要求的运动强度时，所得到的摄氧量水平。最大摄氧量是有氧运动能力的关键指标之一，是耐力运动员选材的重要参考依据，是高水平有氧运动能力的基础。

2最大摄氧量的常见测试方法

最大摄氧量的测试方法，通常有直接测试法和间接推算法。直接测试法是指在选定的计功器(如跑台、功率自行车等)上，通过递增负荷的方案，采用气体代谢分析系统，直接测试受试者吸入呼出气体中的氧浓度差，来测试摄氧量的方法。该方法测试精准，是进行气体代谢分析的金标准。但该方法也有一定的不足，那就是设备昂贵，操作精确度要求很高，安全监控的专业性很强，不太适合大范围的推广。

间接测试法是指在次大强度范围内(85％最大心率以下)，通过一定的负荷方案测试，通过心率反应，来推算最大摄氧量的水平。常用的间接测试法有SMT方案法、YMCA方案法、台阶试验、12分钟跑、6分钟步行试验、20米往返跑等。通过不同条件下的心率反应，采用相对应的推算方法，可得到最大摄氧量。

3心率、最大心率、负荷心率

心率，是指单位时间内(1分钟)心脏跳动的频率。最精准的心率可采用心电图记录仪来判别，判断1分钟内，有多少个心动周期，那么心率就是多少。而在日常应用中，也通常采用脉搏数来替代心率数值。因此心率采集的设备，也分为基于心电原理和基于脉搏原理2大类型。

最大心率，是指心率的最大值。虽然不同的人最大心率有个体差异，但对绝大多数的人来说，最大心率与年龄存在线性关系，最大心率，最常用的推算公式为220-年龄，但最近的研究表明，该公式所得的最大心率，对年轻人来说，高估最大心率，而对老年人来说，低估最大心率：因此最新的最大心率推测，采用207-0.7×年龄来计算。通常采用最大心率的百分比(如85％最大心率)来度量运动强度的大小。此外，最大心率与安静心率的差值等于心率储备。也常用心率储备的百分比来度量运动强度。

负荷心率，是指身体在做某项运动时，运动量相对与身体来说，就是身体需要承受的负荷，在此强度负荷下，心率会随着强度的不同而不同，因此不同的负荷强度，会对应身体不同水平的心率。此外，由于心率的变化较快，因此此处的负荷心率，是指在一段运动时间内，心率的平均水平。用心率平均水平，可避免由于心率上下波动而造成的误差。

4梅脱(MET)与最大摄氧量

梅脱(MET)，代谢当量，是表达运动强度的一个单位，当人体处于安静状态时，每千克体重消耗的氧气量为3.5ml/min，此时的强度为1梅脱。当运动强度增加时，耗氧量也相应增加，与安静状态的耗氧量相除，即可得到对应的梅脱值，即对应的强度相当于安静状态的N倍。

当人体达到最大最大摄氧量水平时，对应的心率也同步达到最大心率，此时对应的梅脱强度，叫做心脏功能能力(F.C.)。心脏功能能力的数值，乘以3.5ml/kg.min，即可得到对应的最大摄氧量数值。即公式：最大摄氧量(相对值)＝心脏功能能力(F.C.)×3.5。

发明内容

1次大强度功率车测试方案

次大强度负荷方案的确定，综合参考以往诸多方案的设定，但又与之前的方案不同，在25W的小负荷运动后，观察受试者的心率反应，并根据不同的年龄范围，划分不同的心率反应范围，各个年龄段的心率反应均划分为两个区间。根据不同的心率反应，确定下一阶段的负荷功率。举例，某人30岁，则处于18-35岁的年龄范围，先进行3分钟的25W的踏车；踏车之后，根据3分钟末的心率来判断第2级的负荷，假如25W负荷3分钟后的心率为92，即处于“HR：≤100”的范围，那么第2级的负荷为75W：第3、4、5级对应的负荷相应为100W、125W、150W。在此，25W后的心率判断，只与年龄有关，而与性别无关。

每级负荷的时间为3分钟，以便使得心率达到在该负荷下的相对稳定；若心率不稳定(该级别中第2分钟末心率与第3分钟末心率差值＞5)，则该阶段的时间自动延长1分钟，以便获取稳定的心率。

在该方案中，要求受试者在结束前的至少2个阶段内，心率达到≥110次/分钟。在达到连续2个阶段心率≥110次/分钟的情况下，若受试者无异常反应或要求停止，在心率≤85％最大心率的前提下，则应鼓励受试者继续按方案进行递增符合踏车，最多进行5个级别的踏车，总体踏车时间最多为15分钟。

整体方案如下表所示：

表1运动负荷方案

该方案并不强制要求在第几个阶段停止，而务求达到有效的试验数据结果，虽然测试时间略有延长，但在准确性上有明显的进步。

2最大摄氧量的计算方法

根据上述方案，则受试者测试的结果有以下2种情况：(1)在110≤心率≤85％最大心率的范围内，只进行了两个级别的负荷；(2)在110≤心率≤85％最大心率的范围内，进行了超过两个级别的负荷，有三个级别的负荷或四个级别的负荷。

在每个负荷级别下，都有该级别对应的负荷功率，以及该负荷3分钟末尾对应的稳定心率。由于功率自行车是磁控数字化的计功器，因此其输出功率非常稳定，所以在功率车上进行的运动，其运动强度也可以做到精确量化。功率自行车的负荷功率(W)，可通过公式转化为运动强度单位梅脱(MET)，公式为：梅脱(MET)＝瓦数/体重×3.0857+2。这样，每个级别都有一组心率和梅脱对应的数据，相当于坐标系中的1个点。当进行多个级别的运动后，将心率和梅脱对应的点在坐标系中标出，如图2所示。

2.1只有两级负荷满足“110≤心率≤85％最大心率”条件时最大摄氧量的计算

当只有两级有效负荷时，将对应测试的结果分别记录为心率1、心率2、梅脱1、梅脱2，简写为H1、H2、M1、M2。心率的最大值简写为Hmax，梅脱最大值(F.C.)简写为Mmax。根据下述公式：

计算可得Mmax，即最大梅脱值，心脏功能能力(F.C.)。根据公式

最大摄氧量(相对值)＝心脏功能能力(F.C.)×3.5

即可计算得到最大摄氧量的相对值。

2.1有多级负荷满足“110≤心率≤85％最大心率”条件时最大摄氧量的计算

当有多级负荷满足条件时，可得到多组数据，相当于图2中，心率(H)和梅脱(M)对应的坐标点有多个。此时，采用任何两点去进行推算时，都会存在误差，而多个点的存在，采用取均值的方法，可使误差减小，而更接近真实值。此时，就需要计算一条多点回归的直线方程。

假设多个点的坐标分别为(H1，M1)，(H2，M2)，(H3，M3)……(Hn，Mn)，其中3≤n≤5。

K1＝n

K2＝H1+H2+H3+……+Hn

K3＝H1×H1+H2×H2+H3×H3+……+Hn×Hn

K4＝M1+M2+M3+……+Mn

K5＝H1×M1+H2×M2+H3×M3+……Hn×Mn

将测试所得的多组数据带入以上公式，即可得到K1～K5的数值。假设多点回归所得直线方程为：

y＝c1+c2X

那么c2＝(k1*k5-k2*k4)/(k1*k3-k2*k2)

c1＝(k4-k2*c2)/k1

计算出c1和c2，就可得到y＝c1+c2X，该方程为心率和梅脱之间的线性方程。将最大心率(207-0.7×年龄)的值带入到y中，即可得到最大梅脱的值，即心脏功能能力(F.C.)。

根据公式

最大摄氧量(相对值)＝心脏功能能力(F.C.)×3.5

即可计算得到最大摄氧量的相对值。

附图说明

图1氧气和二氧化碳在体内的循环

图2最大摄氧量推算示意图

具体实施方式

1.进行运动测试前的风险筛查问卷；

2.受试者佩戴上可连续监测心率的心率表或运动心电设备；

3.按照运动负荷方案进行踏车，达到停止条件时完成测试；

4.计算最大摄氧量相对值。

Claims (3)

1.一种心肺功能的运动测试方案和计算方法，包括：

(1)制定了次大强度下进行心肺功能测试的运动负荷方案；

(2)制定了“有多级负荷满足“110≤心率≤85％最大心率”条件时”最大摄氧量计算的新方法。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，制定了次大强度下进行心肺功能测试的运动负荷方案，该方案的显著特征在于(1)采用小负荷功率25W测试后，根据不同年龄的人群，设定不同的心率反应区间，使第2级的负荷选择更加准确；(2)负荷递增方案属于开放式的，受试者可以蹬多个负荷级别，既能够充分满足至少2个级别下“110≤心率≤85％最大心率”的条件，又可以得到多组数据，降低两点推测带来的误差。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当“有多级负荷满足“110≤心率≤85％最大心率”的条件时，以心率和运动强度(梅脱)对应数值为坐标点，采用多点回归的方法建立线性回归方程，并提供方程的回归公式算法。