中高強(qiáng)度身體活動(dòng)量與肥胖兒童青少年心肺適能改善的劑量-效應(yīng)關(guān)系研究

陳澤愷 朱琳 李展權(quán) 曹友祥 謝維俊

1廣州體育學(xué)院研究生院（廣州 510500）

2廣州體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)與健康學(xué)院（廣州 510500）

在過去的幾十年間，兒童青少年肥胖檢出率呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)[1，2]。流行病學(xué)研究表明，青少年肥胖的增加將伴有心肺適能（cardiorespiratory fitness，CRF）的下降，且與心血管疾病、代謝性疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)[3]。鑒于心肺適能對(duì)健康的重要作用，美國(guó)心臟協(xié)會(huì)于2016年將心肺適能作為人體的第5大臨床生命體征[4]。最大攝氧量（maximal oxygen consumption，VO2max）是評(píng)價(jià)心肺適能最常用的指標(biāo)[5，6]，可通過跑臺(tái)測(cè)試、20 m往返跑測(cè)試（20-m shuttle run test，20-mSRT）、12 min跑測(cè)試等多種測(cè)試方法獲得受試者的VO2max。

身體活動(dòng)（physical activity，PA）是指任何骨骼肌收縮引起的高于基礎(chǔ)代謝水平能量消耗的機(jī)體活動(dòng)，與健康之間存在“劑量-效應(yīng)”關(guān)系，不同運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度、頻率組合形成的身體活動(dòng)所帶來的健康效應(yīng)也不同[7-9]，其中運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度是關(guān)鍵[10]。與此同時(shí)，有學(xué)者也發(fā)現(xiàn)身體活動(dòng)與健康促進(jìn)效果之間的關(guān)系并非都是簡(jiǎn)單的線性相關(guān)，對(duì)于部分健康指標(biāo)而言，當(dāng)身體活動(dòng)量達(dá)到某一閾值后，身體活動(dòng)量的增加并不能獲得更高的健康效益[11，12]。

既往研究已證實(shí)，身體活動(dòng)與兒童青少年的心肺健康呈正相關(guān)，可顯著改善兒童青少年心肺適能[13，14]?！吨袊?guó)兒童青少年身體活動(dòng)指南》及世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）在其發(fā)布的身體活動(dòng)指南中均建議兒童青少年每天進(jìn)行至少60 min的中高強(qiáng)度身體活動(dòng)（moderate to vigorous intensity physical activity，MVPA），以改善心肺適能和整體健康水平[15，16]，但尚不能獲得心肺適能改善所需的最佳身體活動(dòng)劑量。就是說，盡管指南推薦每日MVPA應(yīng)達(dá)60 min，但對(duì)于肥胖兒童青少年，增加每日MVPA推薦量的時(shí)間能否帶來更高的心肺適能改善效果，以及這種改善效果的增加是否具有閾值效應(yīng)尚未可知。鑒于此，本研究通過深入探討MVPA量與心肺適能改善效果之間的劑量-效應(yīng)關(guān)系，以明確改善肥胖兒童青少年心肺適能的最佳劑量，為肥胖兒童青少年的運(yùn)動(dòng)干預(yù)指導(dǎo)提供更精確及科學(xué)化的理論參考。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究招募的受試者為10～17歲的肥胖兒童青少年，所有受試者均來自參加深圳減肥達(dá)人訓(xùn)練營(yíng)的營(yíng)員，在正式進(jìn)行測(cè)試前受試者及監(jiān)護(hù)人均需簽署知情同意書。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）兒童青少年肥胖標(biāo)準(zhǔn)參照《中華人民共和國(guó)衛(wèi)生行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（WS/T586-2018）學(xué)齡兒童青少年超重與肥胖篩查》[17]；（2）智力水平發(fā)育正常；（3）通過運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)篩查；（4）具有良好依從性，能夠積極配合運(yùn)動(dòng)干預(yù)及完成相應(yīng)指標(biāo)采集。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）病理性肥胖；（2）患有嚴(yán)重肥胖并發(fā)癥；（3）正在接受藥物治療；（4）存在運(yùn)動(dòng)受限，無法完成基本運(yùn)動(dòng)。研究方案獲得廣州體育學(xué)院人體倫理委員會(huì)審批，審批編號(hào)為2018LCLL-008。

1.2 研究方法

1.2.1 身體形態(tài)學(xué)指標(biāo)測(cè)量

采用符合國(guó)民體質(zhì)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的身高計(jì)和體重計(jì)對(duì)受試者身高、體重進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)結(jié)果計(jì)算身體質(zhì)量指數(shù)（body mass index，BMI）。身高測(cè)試以cm為單位，精確至0.1 cm；體重測(cè)試以kg為單位，精確至0.1 kg。

1.2.2 身體活動(dòng)量測(cè)量

采用ActiGraph GT3X+三軸運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)（Acti-Graph，Pensacola，F(xiàn)L，USA）對(duì)受試者整個(gè)干預(yù)周期內(nèi)的身體活動(dòng)情況進(jìn)行記錄。佩戴位置為身體右側(cè)腋窩中線與髂脊水平線相交處[18]，30 Hz采樣頻率，60 s的采樣間隔，每周佩戴6天，每天至少佩戴7小時(shí)[19，20]，工作人員于每日早上9點(diǎn)發(fā)放儀器，晚上21點(diǎn)回收，采用儀器配套的軟件ActiLife Version 6.13.3進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出與分析，將連續(xù)60 min未監(jiān)測(cè)到活動(dòng)數(shù)據(jù)的時(shí)間段設(shè)定為未有效佩戴加速度計(jì)[21]。肥胖兒童青少年MVPA的切點(diǎn)值為VM3≥3687 counts/min[22]。

1.2.3 心肺適能指標(biāo)測(cè)量

以最大攝氧量（maximal oxygen consumption，VO2max）作為心肺適能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用20 m往返跑測(cè)試[23]的結(jié)果估算受試者VO2max。正式進(jìn)行20 m往返跑測(cè)試前由測(cè)試人員對(duì)受試者進(jìn)行規(guī)則的講解，并安排1名測(cè)試人員全程領(lǐng)跑，記錄每一位受試者最終完成的laps（圈）數(shù)，然后代入公式算出VO2max值。計(jì)算公式[24]如下：VO2max=41.76799+（0.49261×PACER）-（0.00290×PACER2）—（0.61613×BMI）+（0.34787×gender×age），其中PACER為20 m往返跑測(cè)試最終完成的laps（圈）數(shù)，男生gender=1，女生gender=0。

1.2.4 運(yùn)動(dòng)干預(yù)

受試者在營(yíng)期間統(tǒng)一進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干預(yù)，運(yùn)動(dòng)類型以有氧運(yùn)動(dòng)為主，運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目主要包括快走、慢跑、體育游戲、有氧操、娛樂性的球類運(yùn)動(dòng)等，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為240 min/d（上、下午各120 min），每周6天，共持續(xù)4周。

1.2.5 靜息能耗測(cè)試

使用Cortex Meta Max 3B便攜式氣體代謝分析儀（簡(jiǎn)稱Cortex 3B）進(jìn)行靜息能耗的測(cè)試，測(cè)試前24小時(shí)禁止飲用咖啡或酒精類飲品，并于餐后2小時(shí)后開展測(cè)試，以排除食物特殊動(dòng)力作用。測(cè)試時(shí)要求受試者在室溫穩(wěn)定的測(cè)試場(chǎng)地先靜坐15 min，然后測(cè)試人員為其佩戴Cortex 3B進(jìn)行安靜平臥15 min的靜息能耗測(cè)試，通過儀器配套軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄受試者O2量（ml/min）和CO2量（ml/min），最后根據(jù)Weir[25]公式計(jì)算靜息能耗。

1.2.6 飲食控制

飲食方案由專業(yè)營(yíng)養(yǎng)師制定，受試者每日飲食攝入的熱量依據(jù)靜息能耗確定。一日三餐的熱量分配比例約為3∶4∶3，每餐碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪供能比例分別占當(dāng)餐攝入總能量的55%～65%、10%～15%、

20%～35%[26]。

1.2.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

連續(xù)型變量采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示，性別分布采用相對(duì)比表示。分析前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，若數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，則選用非參數(shù)檢驗(yàn)方法進(jìn)行分析。根據(jù)三分位數(shù)法，將在營(yíng)期間每日MVPA活動(dòng)量（min/d）劃為分Q1組（n=19）、Q2組（n=19）、Q3組（n=18），分別對(duì)應(yīng)低、中、高運(yùn)動(dòng)劑量組。各組受試者性別分布的比較采用卡方檢驗(yàn)；組內(nèi)干預(yù)前后心肺適能的比較采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)；心肺適能的改善效果采用“△VO2max”表示，計(jì)算方式為干預(yù)后與干預(yù)前VO2max值之差；組間心肺適能改善效果的比較采用單因素方差法，事后比較采用Bonferroni法，使用線性趨勢(shì)檢驗(yàn)分析各組心肺適能改善效果的變化趨勢(shì)；采用線性回歸探討MVPA量每增加1單位與心肺適能改善效果的劑量-效應(yīng)關(guān)系；采用限制性立方樣條（restricted cubic spline，RCS）模型探討校正了年齡、性別、BMI等混雜因素后，每日MVPA量與心肺適能改善效果之間是否存在非線性關(guān)系，若存在非線性關(guān)系，則采用分段線性回歸模型。數(shù)據(jù)分析及限制性立方樣條圖的繪制采用SPSS 24.0和基于R語言4.1.0版本的Rstudio軟件。P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 受試者基本情況

有9名受試者因在4周干預(yù)過程中出席天數(shù)占總訓(xùn)練天數(shù)的比例低于80%或未能完成20 m往返跑測(cè)試而被排除出統(tǒng)計(jì)分析。最終共56名受試者被納入統(tǒng)計(jì)分析，其中男生29名，女生27名。Q1～Q3組受試者的年齡、身高、體重、BMI、靜息能耗等數(shù)據(jù)在基線狀態(tài)均無顯著差異（P＞0.05）（表1）。

表1 受試者基本情況

2.2 不同身體活動(dòng)劑量組干預(yù)前后身體形態(tài)及心肺適能變化比較

t檢驗(yàn)結(jié)果顯示（表2），4周干預(yù)后總體的體重、BMI、VO2max等指標(biāo)均較干預(yù)前顯著改善（P＜0.01），Q1～Q3組干預(yù)后的VO2max均較干預(yù)前顯著提升（P＜0.01）。單因素方差分析結(jié)果顯示（表2），Q1～Q3組間的△體重和DBMI差異顯著；Q1～Q3組的△VO2max組間差異顯著（P＜0.01），趨勢(shì)性檢驗(yàn)差異顯著（P＜0.01）；進(jìn)一步事后比較發(fā)現(xiàn)，Q2組與Q1組之間、Q3組與Q1組之間的△VO2max均存在顯著差異（P＜0.05），Q3與Q1組間△體重和△BMI差異顯著（P＜0.05）。

表2 不同身體活動(dòng)劑量組干預(yù)前后身體形態(tài)及心肺適能變化

2.3 MVPA量與心肺適能改善效果的劑量-效應(yīng)關(guān)系分析

線性回歸分析結(jié)果顯示（表3），MVPA量每增加1 min/d，△VO2max增 加0.04 ml/kg/min（95%CI：0.008，0.065）。校正年齡、性別、基線BMI、基線VO2max后，MVPA量 每 增 加1 min/d，△VO2max增 加0.04 ml/kg/min（95%CI：0.008，0.070）。

表3 MVPA量與心肺適能改善效果的劑量-效應(yīng)關(guān)系分析

2.4 MVPA量與心肺適能改善效果的閾值效應(yīng)分析

MVPA量與肥胖兒童青少年心肺適能改善效果的劑量-效應(yīng)關(guān)系中存在非線性關(guān)系（P-Nonlinear＜0.05）（圖1）。當(dāng)MVPA≤98.9 min/d時(shí)，△VO2max隨著MVPA量增加而快速增加，MVPA量每增加1 min/d，△VO2max增加0.11 ml/kg/min（95%CI：0.032，0.180）；校正年齡、性別、基線BMI、基線VO2max后，MVPA量每增加1 min/d，△VO2max增加0.11 ml/kg/min（95%CI：0.052，0.166）（表4）。當(dāng)MVPA＞98.9 min/d時(shí)，MVPA量與△VO2max的劑量-效應(yīng)關(guān)系不顯著（P＞0.05），圖中對(duì)應(yīng)區(qū)間的曲線甚至呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

表4 MVPA量與心肺適能改善效果的閾值效應(yīng)分析

圖1 MVPA量與心肺適能改善效果的閾值效應(yīng)關(guān)系圖

3 討論

本研究結(jié)果顯示，在一定范圍內(nèi)（MVPA≤98.9 min/d），MVPA量與肥胖兒童青少年心肺適能改善效果之間存在顯著的劑量-效應(yīng)關(guān)系，即隨著MVPA量的增加，肥胖兒童青少年心肺適能改善效果越好。而當(dāng)MVPA＞98.9 min/d時(shí)，MVPA量的增加并不會(huì)顯著增加心肺適能的改善效果，反而會(huì)限制心肺適能的改善。這說明MVPA量與肥胖青少年的心肺適能改善效應(yīng)間存在顯著的非線性劑量-效應(yīng)關(guān)系和閾值效應(yīng)。

Wisnieski等[27]在一項(xiàng)橫斷面研究中發(fā)現(xiàn)，MVPA的增加可以顯著提升女性兒童青少年的心肺適能。Vasconcellos等[28]發(fā)現(xiàn)，身體活動(dòng)不僅可以對(duì)身體成分、肌肉力量、血壓等指標(biāo)產(chǎn)生積極影響，而且可以改善肥胖兒童青少年的心肺適能。與既往研究類似，本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過4周不同MVPA時(shí)間的運(yùn)動(dòng)干預(yù)后，肥胖兒童青少年的心肺適能水平均得到顯著改善，Q2、Q3組相較低身體活動(dòng)劑量的Q1組心肺適能改善效果更明顯，這提示MVPA量與心肺適能改善效果之間存在劑量-效應(yīng)關(guān)系趨勢(shì)。

為了驗(yàn)證身體活動(dòng)與健康改善之間的劑量-效應(yīng)關(guān)系，學(xué)者們針對(duì)不同群體開展了大量研究。Nevill等[29]研究發(fā)現(xiàn)，兒童青少年自我報(bào)告身體活動(dòng)量與VO2max之間存在劑量-效應(yīng)關(guān)系，更高的身體活動(dòng)量對(duì)應(yīng)著更高的VO2max。Edwards等[30]發(fā)現(xiàn)MVPA量與動(dòng)脈粥樣硬化指數(shù)間存在負(fù)向的劑量-效應(yīng)關(guān)系，隨著MVPA量的增加，動(dòng)脈粥樣硬化指數(shù)不斷下降。Stoner等[31]在一項(xiàng)納入了16篇文獻(xiàn)的Meta分析中發(fā)現(xiàn)，肥胖兒童青少年身體活動(dòng)量每增加1 MET-h/week，BMI和體重分別下降0.13 kg/m2和0.33 kg。與上述研究類似，本研究發(fā)現(xiàn)MVPA量與肥胖兒童青少年心肺適能改善效果之間存在顯著的劑量-效應(yīng)關(guān)系。值得注意的是，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)劑量-效應(yīng)關(guān)系并不完全都是線性的，可能存在非線性關(guān)系及閾值效應(yīng)。全明輝等[11]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)每日累計(jì)MVPA超過65 min后，MVPA時(shí)間的增加并不能增加男童達(dá)到高體質(zhì)健康水平的比率，MVPA與男童達(dá)到高體質(zhì)健康水平的比率之間存在非線性關(guān)系與閾值效應(yīng)。Sriram等[32]研究了12～19歲兒童青少年客觀測(cè)定的身體活動(dòng)量與心血管代謝健康之間的劑量-效應(yīng)關(guān)系后發(fā)現(xiàn)，身體活動(dòng)量與BMI、收縮壓（systolic blood pressure，SBP）、VO2max等指標(biāo)之間的劑量-效應(yīng)關(guān)系都存在閾值效應(yīng)，如當(dāng)男性身體活動(dòng)量超過150 min/week后，VO2max并不會(huì)隨著身體活動(dòng)量增加而進(jìn)一步增加。本研究使用限制性立方樣條模型探討MVPA量與肥胖兒童青少年心肺適能改善效果之間的非線性關(guān)系，此方法廣泛地被各國(guó)學(xué)者應(yīng)用于劑量-效應(yīng)關(guān)系問題的分析中[33-35]。限制性立方樣條的結(jié)果顯示，MVPA量與肥胖兒童青少年心肺適能改善效果的劑量-效應(yīng)關(guān)系中存在顯著的非線性及閾值效應(yīng)，當(dāng)MVPA＞98.9 min/d時(shí)，MVPA量的增加并不能進(jìn)一步提升心肺適能的改善效果。與既往采用橫斷面的研究設(shè)計(jì)只能分析身體活動(dòng)量與心肺適能間的相關(guān)關(guān)系不同，本研究采用干預(yù)前后自身對(duì)照的縱向設(shè)計(jì)，分析了MVPA量與心肺適能改善效果間的數(shù)量依存關(guān)系，并確定了MVPA量與肥胖兒童青少年心肺適能改善效果間劑量-效應(yīng)關(guān)系的閾值點(diǎn)。除此之外，先前類似研究針對(duì)的群體并非為肥胖兒童青少年，其研究結(jié)果并不一定適用于肥胖兒童青少年，因此本研究對(duì)肥胖兒童青少年的運(yùn)動(dòng)開展具有更強(qiáng)的理論及現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。綜上所述，身體活動(dòng)可以顯著改善肥胖兒童青少年的心肺適能，并且在一定范圍內(nèi)MVPA量的增加可以帶來更大的心肺適能改善效果，但改善效果在MVPA量超過98.9 min/d后不再增加。

本研究在肥胖兒童青少年群體中探討中高強(qiáng)度身體活動(dòng)量與心肺適能改善效果間的劑量-效應(yīng)關(guān)系，縱向研究的設(shè)計(jì)與以往橫斷面研究中探討劑量-效應(yīng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不同，避免了無法探討身體活動(dòng)量與心肺適能改善效果間數(shù)量依存關(guān)系的不足。此外，本研究使用了限制性立方樣條分析身體活動(dòng)量與心肺適能改善效果之間的劑量-效應(yīng)關(guān)系，避免了以往在部分劑量-效應(yīng)關(guān)系的研究中僅靠肉眼觀察圖形判斷是否存在非線性關(guān)系及簡(jiǎn)單線性回歸無法探討非線性關(guān)系的缺點(diǎn)，更科學(xué)，更貼近真實(shí)情況。本研究雖然在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法上盡可能地加強(qiáng)了研究的科學(xué)性與可靠性，但受到客觀條件的限制仍然存在不足之處，比如因肥胖兒童青少年受試者較難招募而限制了樣本量的進(jìn)一步擴(kuò)大；干預(yù)周期4周不能對(duì)比每個(gè)月的心肺適能改善效果，這些均有待后續(xù)研究進(jìn)一步完善加強(qiáng)。

4 結(jié)論

MVPA量與肥胖兒童青少年心肺適能改善效果間存在非線性的劑量-效應(yīng)關(guān)系和閾值效應(yīng)。在一定范圍內(nèi)，MVPA量與心肺適能改善效果存在量化關(guān)系，增加MVPA量可帶來更高的心肺適能改善效果；但當(dāng)MVPA量超過98.9 min/d時(shí)，心肺適能的改善效率會(huì)下降。