心率變異閾值評價肥胖兒童通氣閾的探索研究

陳 浩，徐 菁，曾錦樹，陳佳豪，徐 飛

(杭州師范大學(xué)體育學(xué)院，浙江 杭州 311121)

0 前言

全球超重與肥胖人群數(shù)量逐年攀升，已成為一個重要的公共健康問題．不僅如此，因為體力活動不足和飲食等原因，肥胖人群呈低齡化發(fā)展趨勢，引發(fā)了更多的社會關(guān)注．所以，肥胖人群的科學(xué)運動和運動鍛煉的科學(xué)評價成為醫(yī)學(xué)和運動科學(xué)等交叉學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點[1]．運動處方制定的重要依據(jù)是運動強度，其中無氧閾(anaerobic threshold, AT)是最為重要的強度參考指標(依據(jù))．AT是指在遞增負荷的運動過程中，人體從有氧代謝供能進入到有氧與無氧代謝共同供能的拐點(突增點)，主要通過乳酸無氧閾和通氣無氧閾(ventilatory anerobic threshold, VAT)來反映.通氣無氧閾簡稱為通氣閾(ventilatory threshold, VT)，低于VT強度的運動有助于最大脂肪氧化[2]，高于通氣補償閾(respiratory compensation threshold, RCT)強度的運動可能會導(dǎo)致食欲降低[3]，介于VT與RCT間的中高強度運動能夠更好地改善心血管機能，降低心血管風險[4]．因此，準確評估VT強度對于制定個性化運動處方有重要意義[5]．VT主要通過評估心肺運動測試中的氣體交換來確定，但該方法對儀器設(shè)備、實驗人員的專業(yè)素質(zhì)和安全支持設(shè)施等都有較高要求[5-6]，所以探索有效評價VT的低成本方法具有很高的應(yīng)用價值．

心率(heart rate, HR)是評價運動強度應(yīng)用最為廣泛且易于獲取的指標之一，基于逐次HR周期差異的細微變化情況計算得到的心率變異性(heart rate variability, HRV)是評價心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)(副交感和交感神經(jīng)調(diào)節(jié))的無創(chuàng)、有效測試指標．副交感神經(jīng)活性發(fā)生后撤(withdraw)的特定標記點被定義為心率變異閾值(heart rate variability threshold, HRVT)[7]．有研究探索通過HRV評價AT強度[8]，也有研究嘗試用HRV評價超重和肥胖青少年的VT值[9]，但研究結(jié)果并不一致．這是因為肥胖受試者的交感神經(jīng)活性被過度激活[10]、肥胖兒童早期出現(xiàn)自主神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙[11]等前置條件對最終結(jié)果存在影響．此外，受試者的個體差異、測試儀器和關(guān)鍵指標(HRV、VT)的分析方法不同、研究方案不同也是結(jié)果不一致的重要原因．研究結(jié)果的不一致會影響HRV評價VT的信度和結(jié)果應(yīng)用的外部效度．

目前尚不明確HRVT能否用于有效評價肥胖人群的VT．如果能，那么在運動干預(yù)改善肥胖兒童身體機能之后，HRVT與VT的對應(yīng)關(guān)系是否仍然成立？這是HRVT能否作為評價VT的可靠、便捷指標的兩個重要問題．因此，本研究旨在探索由線性(時域和頻域)與非線性HRV分析方法確定的HRVT評價肥胖兒童VT的有效性，為HRVT在肥胖兒童群體運動處方和科學(xué)鍛煉中的應(yīng)用提供證據(jù)與參考．

1 研究對象與方法

1.1 受試者

以參加暑期封閉運動減肥夏令營的25名肥胖兒童為研究對象，其中女孩11名，男孩14名，平均年齡(12.3±1.6)歲，身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index， BMI)為(31.8±0.9) kg/m2．肥胖程度根據(jù)《中國兒童超重、肥胖篩查體質(zhì)量指數(shù)值分類標準》判定．受試者入營前接受標準的體格檢查并詢問病史，日常除參加各自校內(nèi)規(guī)定的體育課以外均無常規(guī)性體育鍛煉，無心肺系統(tǒng)疾病史．正式實驗前受試者及其父母均簽署知情同意書．最終完成測試的23名兒童(1女1男退出實驗)的數(shù)據(jù)納入統(tǒng)計分析．

1.2 實驗設(shè)計

受試者完成形態(tài)學(xué)測量后，在Powermax-Ⅶ功率自行車(日本)上進行遞增負荷測試，用Polar V800心率表(芬蘭)連續(xù)記錄HR和RR間期(R-R interval， RRi)數(shù)據(jù)[12]．佩戴Hans Rudolph三通呼吸面罩，用氣體代謝分析儀(MaxII，AEI，美國)測試氣體交換和通氣反應(yīng)．確認VT與HRVT出現(xiàn)時對應(yīng)的HR和功率(work power, WP)．實施6周運動干預(yù)后進行重復(fù)測試，干預(yù)期間受試者日常體力活動保持不變．

本研究在封閉式運動減肥夏令營中完成，在遵循運動處方基本原則的框架下，結(jié)合前期研究成果[13-16]，設(shè)計6周運動干預(yù)結(jié)合飲食控制內(nèi)容，主要包括：1)每周5次持續(xù)60 min的鍛煉(散步、跑步、游泳、水上運動或運動游戲等)，運動強度介于VT和RCT之間；2)保證滿足生長發(fā)育需求的膳食(糖、脂肪及蛋白質(zhì)供能分別約占總熱量的60%、25%、15%)，每日攝入總熱量=體重×單位體重低體力活動熱量(20～25 kal/kg)．配備監(jiān)督員確認肥胖兒童在運動干預(yù)期間執(zhí)行干預(yù)內(nèi)容并保障鍛煉安全．

1.3 測試方法與指標

1.3.1 形態(tài)學(xué)測量

赤足、著單衣和空腹，BSM 370身高體重測試儀(韓國)測量身高、體質(zhì)量、腰圍和臀圍，計算BMI、BMIz評分和腰臀比(waist hip ratio, WHR)．

1.3.2 遞增負荷測試

調(diào)整座椅高度以保證正確蹬車姿勢，5 min熱身運動后，受試者在功率自行車上佩戴相關(guān)測試儀器并采用逐級遞增蹬車方案，初始負荷為男孩15 W、女孩10 W，踏頻70 r/min，每級負荷2 min、遞增30 W，直至力竭．同期記錄HR并完成自感疲勞量表(rated perceived exertion, RPE)．當呼吸商(respiratory quotient, RQ)≥1時，持續(xù)1 min以獲得穩(wěn)定的RRi數(shù)據(jù)．據(jù)Loftin等采用的肥胖兒童心肺功能測試標準[17]，滿足以下任意3個條件則判定力竭并立即終止測試：1)HR≥85%HRmax(HRmax=220-年齡)；2)RQ≥1.10；3)RPE>17；4)不良主訴無法堅持運動，或既定負荷下不能保持坐姿蹬車或不能維持60 r/min踏頻．記錄峰值耗氧量(peak oxygen consumption,VO2peak)和相對功率峰值(relative peak power, RPP)．

1.3.3 心率變異閾值測量

用棉球蘸酒精清潔皮膚及心率信號傳感器，Polar H10心率帶置于心尖齊平位置，Polar V800心率表以1 000 Hz頻率記錄RRi數(shù)據(jù)[12]．用Kubios HRV Premium 3.4.0分析數(shù)據(jù)：通過自適應(yīng)QRS檢測算法檢測數(shù)據(jù)時間序列的R波峰值，對異位搏動等原因?qū)е碌腞Ri偽差數(shù)據(jù)采取中度閾值校正．用三次4 Hz樣條插值法對偽差數(shù)據(jù)進行插值替換，再通過平滑度先驗法對RRi數(shù)據(jù)進行去趨勢處理(平滑參數(shù)λ=500)，另存為校正數(shù)據(jù)[18]．

采用線性與非線性方法分析HRV，目測法和Dmax法確定HRVT[8]．在目測法中，HRVT被認為是遞增負荷測試中相鄰RR間期差值均方的平方根(rMSSD)、高頻帶(HF)、標準差1(SD1)無持續(xù)下降的穩(wěn)定點[1,19]．兩名訓(xùn)練有素的實驗員獨立評估穩(wěn)定點，結(jié)果有分歧時，由另一位研究員參與討論決定．線性分析方法包括：1)時域分析.用每個階段最后60 s的校正數(shù)據(jù)分析rMSSD，連續(xù)2個階段間rMSSD未出現(xiàn)明顯下降的相對穩(wěn)定點被界定為HRVTT[8]．2)頻域分析.對校正數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，為更全面地覆蓋和評估高呼吸頻率下獲得的RRi數(shù)據(jù)，HF從0.15 Hz延長至1.8 Hz[20]．用三階方程(fHFm)建模，計算該模型下的高頻功率(HFp)，通過對數(shù)變換(ln(HFp))方法提高偵測RRi數(shù)據(jù)瞬時變化的敏感性和準確性，HRVTS1對應(yīng)ln(HFp)的最低穩(wěn)定點，而HRVTS2對應(yīng)于ln(HFp)最后一次顯著增長的穩(wěn)定點[21]．非線性分析采用趨勢波動分析法，將每個RRi數(shù)據(jù)(R—Rn, R—Rn+1)界定為橫縱二維坐標系中的一個點，再根據(jù)RRi點陣數(shù)據(jù)繪制龐加萊圖(Poincaré plot)．每個階段最后60 s的RRi數(shù)據(jù)用于分析SD1，SD1曲線中時段數(shù)據(jù)無突增或突減變化時判定為穩(wěn)定點，界定為HRVTSD1[22]．提取時域分析、頻域分析和非線性分析方法確定的HRVT(HRVTT、HRVTS1、HRVTS2、HRVTSD1)值對應(yīng)的心率(HRT、HRS1、HRS2、HRSD1)與功率(WPT、WPS1、WPS2、WPSD1)作為判斷運動強度的關(guān)鍵指標．

1.3.4 通氣閾測量

用氣體代謝分析儀測定每分通氣量(VE)、攝氧量(VO2)和CO2排除量(VCO2)，輸出數(shù)據(jù)為10 s連續(xù)采樣的平均值．采用Gaskill等[23]提出的組合方法即通氣當量法、過量二氧化碳法、V-斜率法測定VT和RCT，VT對應(yīng)于VE/VO2曲線的首次非線性增加，且VE/VCO2曲線沒有顯著拐點，RCT對應(yīng)VE/VCO2的首次非線性增加并與VE/VO2的第二次非線性增加的交點．分別提取VT和RCT對應(yīng)的心率(HR1、HR2)和功率(WP1、WP2)作為判斷運動強度的關(guān)鍵指標．

1.4 統(tǒng)計分析

采用Stata16.0軟件分析數(shù)據(jù)，Kolmogorov-Smirnov檢驗正態(tài)分布，6周運動干預(yù)的前后差異采用配對樣本t檢驗．6周運動干預(yù)前后HRVT、VT對應(yīng)HR、WP的重測信度用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient, ICC)表示，ICC值0.21～0.40、0.41～0.60、0.61～0.80、0.81～1.00分別對應(yīng)信度一般、中等、高和非常高[24]．運動干預(yù)前后各指標的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)統(tǒng)計，r值0.31～0.50、0.51～0.70、0.71～0.90、0.91～0.99分別對應(yīng)相關(guān)性中等、高、非常高和極高[25]．繪制運動干預(yù)前后HRVT、VT對應(yīng)HR、WP的Bland-Altman圖以評估一致性，并計算均值偏差(mean bias)和95%一致性界限(95% limits of agreement,95%LoA)．顯著性水平置為α=0.05．

2 研究結(jié)果

2.1 運動干預(yù)后肥胖兒童身體形態(tài)、運動能力和心率變異閾值對應(yīng)運動強度評價指標的變化

6周運動干預(yù)后，肥胖兒童身體形態(tài)特征指標(體質(zhì)量、BMIz評分和WHR)、有氧能力(VO2peak)和相對功率峰值(RPP)有顯著改善，見表1．干預(yù)前后，HRVT和VT強度對應(yīng)HR與WP的比較見圖1．

表1 運動干預(yù)前后肥胖兒童形態(tài)特征與運動能力變化Tab.1 The changes of morphological characteristics and exercise ability in obese childen

注：*,P<0.05；**,P<0.01．圖1 HRVT和VT對應(yīng)心率與功率的比較Fig.1 The comparison of HR and WP at HRVT and VT

2.2 HRV與VT對應(yīng)運動強度指標的相關(guān)性與一致性

2.2.1 HRVT與運動強度評價指標的重測信度

氣體代謝法確定的VT、RCT強度時HR的ICC值分別為0.88和0.87，WP的ICC值為0.85～0.86；HRVT對應(yīng)HR的ICC值為0.83～0.85，WP的ICC值為0.83～0.87，具有非常高的重測信度(表2).

表2 心率變異閾值和通氣閾時心率與功率指標的ICC值Tab.2 The ICC value of HR and WP at HRVT and VT

2.2.2 HRVT與運動強度評價指標的相關(guān)性和一致性

由表3可見，運動干預(yù)前后，VT與HRVTT、HRVTS1、HRVTSD1，RCT與HRVTS2對應(yīng)的HR及WP均顯著相關(guān)(r=0.58～0.89)，其中VT與HRVTS1、RCT與HRVTS2對應(yīng)的HR及WP呈顯著高度正相關(guān)(r=0.84～0.89)．

表3 運動干預(yù)前后閾值對應(yīng)心率與功率的相關(guān)性和誤差范圍Tab.3 The Pearson correlation and error range of HR and WP at the threshold before and after exercise intervention

統(tǒng)計誤差結(jié)果(表3)顯示，運動干預(yù)前，HRVTS1與VT強度時HR誤差<5 次/min的占69.57%、WP誤差<10 W的占69.57%，而運動干預(yù)后兩者分別占73.91%和78.26%；運動干預(yù)前HRVTS2與RCT強度時HR誤差<5 次/min的占73.91%，WP誤差<10 W的占56.52%，運動后則分別占78.26%和73.91%．

用Bland-Altman法檢驗HRVT與VT測試結(jié)果的一致性發(fā)現(xiàn)：運動干預(yù)后HR1與HRS1(圖2B)、WP1與 WPS1(圖2F)的均值偏差(0.99、1.16)比運動干預(yù)前(1.64、3.32,圖2A、E)更接近0．運動干預(yù)后HR2與HRS2的均值偏差為0.21(圖2D)，比運動干預(yù)前(圖2C)的1.12更接近0，但WP2與WPS2的均值偏差從運動干預(yù)前的4.06(圖2G)增加到干預(yù)后的5.40(圖2H)．總體而言，HRVT與VT兩種測試結(jié)果的95% LoA置信區(qū)間較窄，均值偏差趨于0．

圖2 心率變異閾值和通氣閾對應(yīng)心率與功率的Bland-Altman圖Fig.2 Bland-Altman plot of HR and WP at HRVT and VT

3 討論

測定無氧閾有多種方法，主要有血乳酸法、氣體代謝分析法、心率和肌電圖法等[26]，其中血乳酸法和氣體代謝法應(yīng)用最為廣泛．因血乳酸法是微創(chuàng)測試，所以更趨向于采用無損傷的氣體代謝法評價無氧閾．此外，氣體代謝法的數(shù)據(jù)誤差也更小[26]．Gaskill等[23]提出采用組合方法，與傳統(tǒng)氣體代謝法相比，該方法不僅能夠減少無效數(shù)據(jù)，而且能夠有效降低誤差，提高判定準確性．本研究發(fā)現(xiàn)，肥胖兒童經(jīng)6周運動干預(yù)后，在身體成分改善、腰圍降低的同時，心肺功能也有顯著提高(表1)．肥胖兒童肺通氣能力偏低，同等條件下承受運動負荷的能力低于正常兒童[27]，這很可能影響他們的生長發(fā)育及體質(zhì)水平[28]．如果肥胖兒童經(jīng)運動干預(yù)身體成分和機能均有改善后，HRVT和VT的強度判斷指標仍然一致，說明HRVT和VT在身體機能改善的情況下，仍然能夠準確評價運動強度，這是目前國內(nèi)外研究都尚未確認的一點．本研究發(fā)現(xiàn)，運動干預(yù)后肥胖兒童的WP1和WP2水平均顯著提高，WPT和WPSD1水平也出現(xiàn)了顯著性提高(圖1)，同時頻域分析方法獲得的HRVT對應(yīng)的WPS1、WPS2表現(xiàn)出相似的顯著性提高．總體來看，運動干預(yù)后HRV方法測得的HRVT對應(yīng)強度判斷指標(HR、WP)與氣體代謝法測得VT對應(yīng)強度指標的增幅相似，提示HRVT可用于評估肥胖兒童的心肺健康狀況，評價鍛煉的健康增益效果．

重測信度結(jié)果顯示，HRVT對應(yīng)的HR和WP具有高重測信度(表2)，說明遞增負荷測試時HRV法確定的HRVT有高重測信度，HRVT在評價肥胖兒童運動強度方面具有很好的穩(wěn)定性．這與前人對健康成年人采用功率自行車測試的rMSSD指標[29]，以及對不同人群(中老年人)步行測試的HRVT結(jié)果[30]一致．綜上，HRV頻域分析閾值的重測信度高，HRVT測評肥胖兒童心肺健康變化有高信度和較好的特異性、穩(wěn)定性，能夠作為評價肥胖兒童的生理強度指標．

本研究旨在評估HRV線性(時域、頻域)和非線性分析方法得到的HRVT能否準確評價肥胖兒童的VT，并驗證運動干預(yù)后HRVT評價VT的可靠性和穩(wěn)定性，從而探索HRVT評價VT的可行性．已有研究證實，HRV能夠用于檢測與分析健康人群遞增負荷運動時的副交感神經(jīng)活性[20]．Karapetian等[8]發(fā)現(xiàn)，副交感神經(jīng)活性降低與乳酸閾(LT)和VT的迅速增加相對應(yīng)，但超重或肥胖兒童在VT強度時的自主神經(jīng)系統(tǒng)活性規(guī)律仍不明確．Shibata等[31]發(fā)現(xiàn)，肥胖女性HRVT與VT對應(yīng)的HR存在顯著正相關(guān)(r=0.74)．Vasconcellos等[6]發(fā)現(xiàn)，青少年人群中HRV時域分析確定的HRVT與VT高度相關(guān)(r=0.8～0.9)，且Bland-Altman圖顯示具有較高的一致性．而本研究發(fā)現(xiàn)，時域分析確定的HRVTT和VT呈中度相關(guān)(HR:r=0.62～0.64；WP:r=0.63～0.65)．這與Quinart等[22]在肥胖青少年中觀察到的結(jié)果比較一致．但有趣的是，本研究發(fā)現(xiàn)6周運動干預(yù)后肥胖程度得到顯著改善(表1)，HRVTT與VT的相關(guān)性也相應(yīng)提高(表3)．所以，筆者推測肥胖因素(或肥胖程度)有可能影響了時域分析方法HRVT的結(jié)果．

HRV非線性分析方法確定的HRVTSD1與VT的相關(guān)性(HR：r=0.58～0.60；WP：r=0.64～0.67)和時域分析方法結(jié)果(HR：r=0.62～0.64；WP：r=0.63～0.65)接近，均呈中度相關(guān)，這可能與非線性分析提供的信息僅限于龐加萊圖的寬度和長度有關(guān)[32]．推測HRV非線性分析計算的HRVT結(jié)果可能因為基礎(chǔ)時間動態(tài)信息缺乏而影響評價VT的準確性．而本研究觀察到頻域分析方法確定的HRVT與VT強度對應(yīng)的WP呈高度相關(guān)(HRVTS1與 VT：r=0.85～0.87；HRVTS2與RCT：r=0.84～0.86)，說明頻域分析方法可能優(yōu)于時域分析和非線性分析方法確定的HRVT結(jié)果．也有一項探索性研究的結(jié)果支持本研究，雖然該項研究沒有確定HRVT，但發(fā)現(xiàn)HRV頻域分析結(jié)果可用于評價VT和RCT[33]．因為HF功率及其相關(guān)的峰值頻率受潮氣量和瞬時呼吸頻率的影響，所以不需要其他設(shè)備來測量呼吸頻率[34]．本研究發(fā)現(xiàn)，HF和ln(HFp)在遞增負荷運動中呈U形曲線，從開始下降到第一個閾值(HRVTS1)時，副交感神經(jīng)活性低，呼吸頻率相應(yīng)增加．曲線從第二個閾值(HRVTS2)起急劇增加，可能是因為呼吸頻率增加對竇房結(jié)施加了更大的機械效應(yīng)(應(yīng)力)所致[33]．此外，本研究在肥胖兒童群體中發(fā)現(xiàn)的顯著相關(guān)關(guān)系，在健康人群[20]和心血管疾病患者人群[35]中也同樣存在．

本研究結(jié)果顯示，HRV頻域分析確定HRVT的相關(guān)系數(shù)優(yōu)于時域和非線性分析方法(表3)．這可能是因為頻域分析指標的采樣頻率高，對應(yīng)的時間分辨率更高，從而更接近HRV閾值時對應(yīng)RRi的真實值．對應(yīng)指標的誤差區(qū)間結(jié)果也支持上述推斷：肥胖兒童運動干預(yù)前后HRV頻域分析與氣體代謝法對應(yīng)HR間的誤差小于5 次/min的占69.57%～78.26%，且運動干預(yù)前后HRVTS1與VT的Bland-Altman圖顯示均值偏差(1.64，0.99)趨近于0．因此，HRV頻域分析方法確定的HRVT也許能夠更為準確地評估VT與RCT．此外，6周運動干預(yù)前后，肥胖兒童HRVTS1、HVRTS2分別與通氣閾強度(VT、RCT)對應(yīng)指標呈高度相關(guān)(干預(yù)前r>0.84，干預(yù)后r>0.85)，這提示6周運動干預(yù)后，HRV頻域分析結(jié)果在評價肥胖兒童群體通氣無氧閾強度時具備穩(wěn)定性，能夠有效評價VT強度．綜上，HRV頻域分析方法確定的心率變異閾值(HRVT)是評估肥胖兒童無氧閾(AT)的可靠方法．

4 小結(jié)與展望

基于HRV頻域分析方法判定肥胖兒童的HRVT與VT在運動干預(yù)前后均具有較高一致性，HRVT可能是推測肥胖兒童VT的有效替代新方法．未來的研究應(yīng)增大樣本量、優(yōu)化運動測試方案，以提高HRVT判定VT的有效性，使這種低成本和非侵入性工具能更廣泛地用于肥胖人群個性化運動處方的制定，從而更好地為科學(xué)鍛煉和防控運動風險服務(wù)．