非運動測試法對男性大學生心肺耐力的評價有效性研究

馮宇超，曾錦樹，徐 菁，陳 浩，陳佳豪，陳竹鷹，徐 飛

（杭州師范大學 體育與健康學院，浙江 杭州311121）

在大學生體質健康逐年下滑的背景下，教育部印發(fā)《國家學生體質健康標準》，以建立健全國家學生體質健康監(jiān)測評價機制，激勵學生積極參加身體鍛煉并促進體質健康發(fā)展［1］。 同時，用科學性好、可操作性強的方法評價健康體適能有關的心肺耐力［2］、肌肉力量［3］、肌 肉 耐力［3-4］、身體成 分 以 及柔韌性 等重要組成部分的基本狀況就非常重要。 其中，心肺耐力作為體質健康的核心指標，受到重點關注［5-6］。 心肺耐力是不同人群體力活動水平的一個客觀生理指標， 與各人群全死因死亡率及心血管疾病死亡率高度相關［6］。 此外，心肺耐力不僅是與健康相關的重要身體適能，同時也用于判斷人的體質狀況［7］。

心肺耐力（cardiorespiratory fitness，CRF）涉及心血管和肺（呼吸）兩個系統(tǒng)，不僅反映心血管和呼吸系統(tǒng)整體能力，而且與骨骼肌功能密切相關［5-6］。 美國運動醫(yī)學會（ACSM）和美國心臟病協會（AHA）聯合聲明指出，提高心肺耐力能夠增加健康收益并降低全因死亡率［8］。 同時，認定最大攝氧量（maximal oxygen uptake，O2max）為評價心肺耐力的金標準［9］。 目前，公認佩戴呼吸面罩的遞增負荷測試法 （直接測試法） 是評價O2max 的金標準［10］，但該方法對儀器和測試人員專業(yè)知識的要求都較高，而且無法對大樣本人群開展便捷性測試，從應用角度來說，O2max 直接測試法不適合用于大眾普及和大面積推廣［11］。 所以，運動場地測試法逐漸應用于大眾人群心肺耐力的評價與反饋，其科學性和良好的應用性也被廣泛證實［12-15］：20m 往返跑（20-m shuttle-run test，20MST）和庫珀 12 分鐘跑（Cooper 12-minute run test，CR12min） 預測O2max 與直接測試法的結果高度相關（r＞0.85）［12，15］，而且具有高信效度［13-14］。 與直接測試法相似的是， 上述兩種場地測試法屬于極量或亞極量負荷測試，要求受試者達到或者接近力竭狀態(tài)，對體能、意志力和配合程度都有很高要求。 一些特殊人群（肥胖人群、慢性病患者和老年人等）很難完成上述測試，所以非運動測試法（non-exercise test）預測O2max 愈發(fā)受到重視，相比之下，非運動測試法具備簡便易操作，無需完成極量/亞極量強度運動等優(yōu)點，其中體力活動問卷法（physical activity rating，PA-R）和心率預測法（heart rate，HR）已經應用于大樣本人群的有氧能力評價，也有較高信效度（基于不同人群的預測效力為R2=0.50～0.86，SEE=2.98～6.90ml/kg/min）［8，16-17］。

但Kolkhorst 等在體力活動水平較高的美國大學生群體中發(fā)現，非運動測試法會嚴重低估大學生的心肺耐力水平［18］。目前，非運動測試法在細分人群中的應用性科學證據較少，與場地測試法評價心肺耐力的一致性和誤差區(qū)間并不明確，這是限制非運動測試法的推廣普及和應用的重要因素［8，18］。 所以，如果能夠明確非運動測試法與場地測試法在預測心肺耐力方面的一致性和誤差區(qū)間， 對該方法應用于學生體質健康評價與大眾人群鍛煉等方面均有重要意義。 因此，本研究探索和驗證非運動測試法評價大學生群體心肺耐力的科學性和有效性，并驗證該方法與運動場地測試法結果的一致性。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

對某大學在校大學生發(fā)放體力活動問卷（PA-R），初步篩查受試者， 要求受試者有基本的鍛煉習慣， 但未受過專業(yè)訓練，健康狀況良好，無心血管疾病。 PA-R 問卷簡便易測，已證實有可接受的信效度并在全球廣泛應用［16-17］。 共招募到自愿參與且符合研究基本要求的32 名男性大學生，基本情況：PAR 得分 5.5±1.4 分， 年齡：20.0±1.1 歲， 身高：180.2±4.8cm，體重：72.3±7.6kg，BMI：22.2±1.8kg/m2，安靜 HR（晨脈）為 57.2±8.6bpm。 受試者無肌肉疲勞癥狀，測試前24h 禁止攝入咖啡因等刺激劑、避免劇烈運動，正式實驗前簽署知情同意書（任何階段可無條件退出實驗）。 本研究符合2013 年芬蘭赫爾辛基宣言修訂版相關倫理學要求。

1.2 研究設計及測試流程

本研究進行 PA-R 問卷和安靜心率 （rest heart rate，HRrest）、20MST 和 12min 跑測試， 各項測試內容在獨立測試日完成以避免相互干擾（見圖1）。首先，填寫PA-R 問卷，隔天后通過1min 脈搏測量法測定晨起 7 點（HR1）和下午 2 點時的安靜心率 （HR2）。 要求受試者熟悉場地和測試流程至少3次（包括預試驗在內），然后以隨機順序分配場地測試，20MST和 CR12min 同時進行（各16 人），間隔 3 天后交換測試項目（32 人均完成 20MST、CR12min 測試）。 場地測試時，充分熱身后統(tǒng)一在當天下午 4～6 點完成，記錄20MST 和 CR12min 跑的最好成績。 所有測試均由兩名經過嚴格培訓的實驗員施測。

圖1 研究設計及測試流程示意圖

1.3 測試指標及方法

1.3.1 PA-R 問卷法（physical activity rating，PA-R）

根據受試者過去1 個月參與運動的類型、強度、時間和頻率，分7 個等級評價受試者O2max 的預測值，計算公式：PA-RO2max=56.363+（1.921*PA-R）-（0.381* 年齡）-（0.754*BMI）+（10.987* 性別）［17］。 PA-R=1～7；性別：男=1。

1.3.2 安靜心率預測法

考慮到受試者晨起和下午的身體機能狀態(tài)有所差別，安靜心率（HRrest）也不相同。所以本研究測試晨起7 點的安靜心率（HR1）和下午2 點時的安靜心率（HR2），以評價受試者兩種機能狀態(tài)下O2max 的預測值。計算公式：心率預測O2max=15.3*最大心率/安靜心率［16］。 最大心率（HRmax）=208-0.7* 年齡［19］。

1.3.3 20m 往返跑（20MST）

受試者在室內籃球場測試。 長度20m、兩端設置標志物，在20MST 的音頻節(jié)奏控制下，以踏上或踏過端線明顯標志物為標準，規(guī)定時間往返跑20m 的距離，如提前到達，則在“嘟”聲響起后出發(fā) （禁止提前到達后提前出發(fā)）。 起始速度為8 km·h-1，每分鐘遞增 0.5 km·h-1，以連續(xù) 3 次“嘟”聲提示加速進入更高一級跑速。 經反復鼓勵，連續(xù)3 次不能在規(guī)定時間內按要求踏上/踏過端線，或感到無法堅持運動時則立即停止測試。 根據音頻提示記錄相應級數以評價O2max， 計算公式：20MSTO2max=31.025+3.238*S-3.248*A+0.1536*S*A［15］。 S 為受試者能完成的最后一級跑速， 即最大有氧速度（Maximal Aerobic Speed，MAS），S=8+0.5* 級數；A 為年齡，精確到 0.5 歲。

1.3.4 庫珀 12 分鐘跑（CR12min）

在400m 標準田徑場跑道進行CR12min 測試， 每隔50m設置標志物。 每8 人一組，在12 min 內跑或走盡可能遠的距離，結束時記錄距離精確到10m。 根據距離評價O2max，計算公式：12minO2max=22.351* 距離（km）-11.288［12］。

1.4 統(tǒng)計分析

數據以均數±標準差（M±SD）表示，用 SPSS26.0 統(tǒng)計。4 種測試法共 5 項O2max 預測值 （PA-R、HR1、HR2、20MST 和CR12min），經 Kolmogorov-Smirnov 正態(tài)分布檢驗（K-S normal distribution test），發(fā)現除20MST 外，其余結果不符合正態(tài)分布也不具備方差齊性。故用Kruskal-Wallis 非參數檢驗考察5 項O2max 預測值的差異，事后比較（Post-hoc）采用最小差異檢驗法（least significant difference， LSD）。 不同方法O2max 預測值的相關用 Spearman 系數（r）表示。 用 Bland-Altman 法進行一致性分析，匯報值均值差（mean bias）和95%差異范圍的一致性界限 （95% limits of agreement，95%LoA），95%LoA=均值差±1.96 倍標準差（mean bias±1.96×SD）。 并計算均值差的標準差（SD of bias）。統(tǒng)計顯著性差異臨界值設為 α=0.05（p＜0.05）。

2 結果

2.1 非運動測試和運動場地測試法O2max 預測值的比較

2.2 非運動測試法和運動場地測試法評價心肺耐力結果的相關性

5 項預測值（20MST、CR12min、PA-R、HR 法）的 Spearman相關分析結果見圖 3：20MST 和 CR12min （r=0.87，p＜0.01），HR1 與HR2 的預測值相互間分別呈顯著高度正相關（r=0.89，p＜0.01）。 但非運動測試法與運動場地測試法預測值之間并無顯著相關：PA-R 法與其他方法預測結果并不顯著相關 （圖3C-F），HR1、HR2 分別與 20MST（r1=0.23，p=0.200；r2=0.23，p=0.199）、CR12min 的預測值都無顯著相關 （r1=0.33，p=0.06；r2=0.31，p=0.08）。

2.3 非運動測試法和運動場地測試法評價心肺耐力的一致性

圖4 非運動測試與運動場地測試法預測O2max 的Bland-Altman 分析

3 討論

心肺耐力是體質健康的核心組成要素［6］。間接測試法是根據特定任務的具體表現來預測O2max，因為影響因素更多，精確性不如直接測試法［20］。 但因便于大樣本人群同時測試等優(yōu)勢，在全球已廣為應用［8］。 Léger 等創(chuàng)立的 20MST［15］、Cooper 等建立的 12min 跑，都是預測O2max 的經典間接測試法［12］。 不同研究都證實：20MST 和 CR12min 預測O2max 與實驗室遞增負荷測試（直接測試法）結果高度相關（r=0.897～0.90），而且在不同人群中的重測信度都較高［13］。 但某些特定人群難以或不愿完成極量、亞極量運動負荷測試，所以非運動測試法在某些特定人群中的適用性比場地測試法更好，具有更便捷、安全和易于推廣的優(yōu)點［8，20］。 目前，雖然間接測試法應用較為廣泛，并已應用于某些可穿戴設備以預測和評價心肺耐力［11］。 但非運動測試和運動場地測試法評價心肺耐力的一致性并不明確，如果混用，不同方法所得結果的一致性和可靠性均無法確認，可能會給健身人群造成困惑，甚至帶來誤導。 本研究發(fā)現，幾種方法的均值接近，分布于49.1～53.5ml/kg/min 區(qū)間，組間均值的最大值與最小值相差4.4ml/kg/min。 除PA-R 和HR2 法的結果有顯著差異，其余各組之間都無顯著差異（圖2）。此外，一個有趣現象是：雖然同為間接測試法，但同類測試法之間的預測結果更接近 （PA-R、HR1 法的均值高于 20MST、CR2min的均值）。 說明非運動測試法（PA-R、HR1）和運動場地測試法（20MST、CR12min）預測和評價O2max的結果較為一致，而且呈現同類測試方法更為接近的特征。

我們分析認為：雖然上述研究通過（較）大樣本人群建立預測方程，方程擬合優(yōu)度較好、可靠性也得到認可，但相關研究并未驗證預測方程的收斂度和在不同人群中的適配度。 所以預測方程在小范圍特殊人群中的準確性和有效性很可能會下降。 因為PA-R 法是通過詢問受試者過去一段時間內運動參與頻率、強度、時間和類型，結合性別、年齡和BMI 來預測O2max（參見 1.3.1 部分 PA-R 預測公式）［17］。 雖然有證據顯示PA-R 法在大樣本人群中能較為準確地預測O2max， 但美國學者Kolkhorst 等對高體力活動水平大學生群體開展研究后發(fā)現，非運動測試法會嚴重低估（greatly underestimated）大學生心肺耐力水平［18］。 而本研究的受試者 PA-R 得分較高（5.5±1.4 分，滿分7 分），為體力活動較活躍的大學生，而且性別單一（均為男性）、年齡跨度小（20.1±1.03，18.5～22.0 歲）、BMI 接近（22.1±1.65kg/m2，19.0～26.5kg/m2），所以本研究通過 PA-R法所得O2max 預測值的離散程度不大（53.5±3.1ml/kg/min）。雖然我們發(fā)現PA-R 法與20MST、CR12min 法的結果無顯著差異（圖2），但進一步考察發(fā)現，PA-R 法與場地測試法結果（參考效標）并不相關（圖 3）、且一致性很低（圖 4）。 所以，結合本研究與Kolkhorst 等的研究結果，我們認為，在較高體力活動水平的男性大學生人群中，PA-R 法與運動場地測試法預測O2max 的結果不能相互替代。 至少兩類方法應進行獨立評價，不能混用結果（即使兩類方法都能夠有效評價大學生的心肺耐力，也應分別參考評價結果）。 而個體回顧性體力活動調查時常出現過高估計的情況［27-28］，可能是導致PA-R 法與場地測試結果相關性和一致性很低的重要原因。 此外，我們前期針對不同體力活動水平和心肺耐力水平肥胖人群的研究也發(fā)現，雖然心血管有相似機能表現，但肥胖患者的體力活動水平和心肺耐力水平并不一致［5］，提示體力活動水平雖然與心肺耐力有關，但在評價準確性方面仍然需要更多的探索與驗證。 有研究對比跑臺遞增負荷測試結果發(fā)現，O2max 高的人在運動場地測試（CR12min）中的表現更好，O2max 低的人則相反。但總體而言預測值都高于實測值［10］。 所以，要提高PA-R 法的準確性， 可能首先應致力于提高受試者回顧評價體力活動水平的準確性。

非運動測試法預測與評價心肺耐力， 除體力活動問卷法（PA-R、IPAQ 問卷等）外，HR 法也是經典方法之一。 因為人體經長期心肺耐力鍛煉后， 安靜心率 （HRrest） 顯著降低、O2O2max 顯著提升［29］，停訓后O2max 降低、HRrest 升高［30］，提示O2max 和 HRrest 可能存在負相關關系。 Uth 等通過 HR 法與直接測試法（跑臺遞增負荷測試）比較36 名有耐力訓練經歷成年男性的O2max，發(fā)現兩種方法的結果呈高度正相關（r=0.86） 且有很高的一致性 （LoA=-0.28±5.3ml/kg/min；SEE=2.72ml/kg/min，占 4.5%O2max），提示 HR 法是預測和評價心肺耐力的有效方法 （心率預測O2max=15.3*HRmax/HRrest）。本研究發(fā)現，HR1 與HR2 法結果無顯著差異（圖2），二者呈高度相關且一致性好（圖3C、圖4E），結果非?！袄硐搿?。 分析認為， 二者實際上是同一種方法的同一指標在不同時間點的測試結果，故HR1 與HR2 高度正相關和一致性好的結果并無實際意義。 所以從應用角度而言，應在參考不同方法結果差異的基礎上，重點考察結果的相關性和一致性，再進行綜合評價。Spearman 相關（圖 3）和 Bland-Altman 結果（圖 4）顯示：HR1（r=0.23，p＞0.05）、HR2 （r=0.23，p＞0.05） 和 參 考 效 標 結 果（20MST） 無 顯 著 相 關 ，95%LoA 絕 對 值 分 別 為 34.87 和35.19ml/kg/min， 均值差的標準差分別為-1.63 和-2.39；HR1（r=0.31，p=0.06）、HR2（r=0.33，p=0.08）和 CR12min 呈低度相關且并無顯著性差異（圖4A）。

分析認為， 受試者運動水平或體力活動水平、HRmax 和HRrest 的確定方法是影響預測結果最為重要的因素［8，16，31］。 因為當 Uth 等［16］使用 HRmax 預測值（208-0.7* 年齡）代替實測值，HR 法得到的O2max顯著低于實測值，而且O2max 預測值與實測值結果的相關性與一致性都顯著下降 （LoA=-1.4±9.2ml/kg/min；SEE=3.93ml/kg/min，占 7.8%O2max），提示 HR法中HRmax 和HRrest 的確定方法是準確心肺耐力的關鍵。但近期［32］的最新研究［31］也指出，受試者性別、年齡、體成分和體力活動水平等能夠影響HRmax 和/或HRpeak 的因素都會影響HR 法的預測結果。 雖然本研究也采用“208-0.7* 年齡”作為HRmax 預測值，已證實該公式在健康成年人中，比“220-年齡”這一常用公式預測HRmax 的準確性和可靠性更高［8］，但本研究受試者年齡跨度 （年齡 18.5～22.0 歲，SD=1.1） 明顯比Uth 等的受試者年齡跨度（SD=7.7）更小［16］，所以本研究得到的HRmax 實際上是在均值常數周圍小幅度波動 （194±0.8 bpm，192.6～195.1 bpm），年齡跨度小而導致預測 HRmax 差異小，這可能會影響HR 法預測O2max 的準確性。

目前， 國內外對于HR 法中測量HRrest 的時間沒有具體規(guī)定和建議。前人研究通常使用5min 內任何1min 平均心率的最低值作為參考指標［16］。 本研究創(chuàng)新性地分別采用晨起7 點（HR1=55.5±9.6bpm） 和下午 2 點 （HR2=60.9±11.1bpm）的HRrest 用于預測O2max，從生理學角度而言，HR2 與實踐結合更緊密、更接近個體運動前HRrest，這在實踐方面有更好的借鑒和指導意義。結果發(fā)現HR2rest 與HR1rest 均值差ΔHRrest=5.4bpm，對應預測結果的均值差 ΔO2max=4.8ml/kg/min，一定程度上都反映出受試者同一天內不同時間點身體機能的差異。HR1、HR2 法與場地測試法預測值無顯著差異的結果也有一定的參考價值，其中HR2 法結果是5 項預測值中最低的，而且與場地測試法的預測結果更為接近（圖2）。 結合眾多研究發(fā)現的間接測試法很可能高估O2max 的現象［8，10，21，25，27-28］，以及本研究HR2 結果顯著低于PA-R 法預測結果的證據（圖2），提示HR2法評價大學生心肺耐力有可能優(yōu)于HR1 法和PA-R 法，但仍有待于進一步擴大樣本量并開展針對性研究加以證實。 但與PAR 法相似的是，HR2 法與場地測試法結果并無顯著相關和較好的一致性（圖3A、圖4D），所以應用HR2 法預測和評價大學生心肺耐力時需注意：1）本研究測試HR2（運動前的安靜心率）時難以保證安靜環(huán)境，HR2 有可能受干擾而導致結果偏高， 致使HR2 法的預測值可能偏低；2）HR 法的預測公式中關于實測還是預測HRmax 并無明確規(guī)定， 國內外研究也根據其實際情況選用相應HRmax 的確定方法。 但應明確的是，用HRmax 實測值更為準確和科學，而大樣本人群測試時用HRmax 預測值（預測公式）更為高效和便捷［19］。 這都是將來有關研究提高非運動測試法的準確性和有效性方面值得關注的重點。

研究局限： 本研究旨在評價不同心肺耐力預測和評價方法在大學生人群中應用的科學性， 但因為研究的樣本量較?。╪=32），所以與Uth 等的研究（樣本量大、受試者年齡范圍廣）有所不同，本研究主要目的不是建立回歸預測方程，而是探索和驗證非運動測試法與經典的運動場地測試法預測結果的差異和穩(wěn)定性。 因為本研究受試者同質性較高：性別單一（均為男性）、年齡跨度較小、體力活動水平和BMI 相對接近等原因，所以本研究結果的內部效度高，也有一些針對性的新發(fā)現。 但本研究結果能否推及和適用于更大的樣本群體以及大學生以外的人群，仍有待于進一步研究確認。

4 小結

1）在體力活動較為活躍的男大學生群體中，非運動測試法和場地測試法的O2max 預測結果無顯著差異，但非運動測試法預測結果的穩(wěn)定性（相關性和一致性）低于運動場地測試法。 所以非運動測試法與場地測試法評價大學生心肺耐力的結果可相互參考，但應進行獨立評價，兩類方法不能混用和相互替代。 2）非運動預測法中，HR2 法有可能優(yōu)于PA-R 法，但兩種方法不能相互替代且均不能替代運動場地測試法用于評價大學生的心肺耐力。 20MST 和CR12min 兩種場地測試法的預測結果無顯著差異，且相關性和一致性高，是可以相互替代的場地測試方法。