心肺运动试验的最佳跑步机坡度！

最大坡度测试中不同跑步机坡度对最大摄氧量和通气阈值的影响

摘要：

用于心肺运动试验（cardiopulmonary exercise testing, CPET）的坡度测试缺乏细致的方案，包括最佳跑步机坡度。目的：研究CPET中所采用的跑步机坡度对最大摄氧量（VO2max）、通气阈值（VT1/VT2）以及VO2max与工作负荷关系的影响。（注：VT1代表在不影响运动连续性前提下，二氧化碳浓度相对于VO2的突然增加。VT2被公认为是最大乳酸值稳定的标志，因此代表了从高运动强度到极限运动强度的过渡，反映了不能长时间维持剧烈运动的情况。）方法：21名健康男性和12名健康女性在跑步机上以相同的速度增量、不同的坡度（CPET 0%、CPET 2%、CPET 3.5%和CPET 5.5%）进行CPET。结果：尽管随着跑步机坡度的增加，CPETs的持续时间有所缩短（CPET 0%：12.7分钟；CPET 2%：9.1分钟；CPET 3.5%：8.0分钟；CPET 5.5%：6.6分钟；p＜0.01），但是各测试方案中的VO2max趋于一致（42.8-43.2ml/kg/min）。VT1所对应的最大摄氧量百分比（%VO2max）在CPET 0%中最低（63.6%），在CPET 5.5%中最高（75.8%），而在其它两个坡度中分别为67.8%（CPET 2%）和69.5%（CPET 3.5%；p＜0.05）；然而，VT2并不受跑步机坡度的影响（95.1-95.8% VO2max；p＞0.05）。不同跑步机坡度、相同起始/最终速度下的CPET中，VO2max、通气阈值几乎一致。然而，与较大坡度相比（CPET 3.5%、CPET 5.5%），较小坡度（CPET 0%、CPET 2%）下CPET的标识线与工作量和摄氧量之间的回归线更加接近。结论：对于健康的青年，CPET坡度设置为0%-2%更为合适。

关键词：有氧运动、心肺运动测试、心肺生理学、健康

一、前言（Introduction）

（一）坡度测试（Ramp protocols）

“坡度测试”是指以小幅度和持续加快的跑动速率进行的心肺运动测试，通常测试总时间为8-12分钟。在一般情况下，与多级CPET相比，坡度测试被认为可以通过降低神经疲劳，从而限制意志疲劳，因此使受试者的最大摄氧量数据更精确。跑步机坡度的设置是坡度CPET的一个重要特征，并影响神经疲劳和测试持续时间。如果坡度过大，与高倾斜角度相联的速度的上升可能需要大幅度增加髋关节、膝关节和踝关节的屈曲角度，并因此导致过早的疲劳。一些研究分析表明，在实际应用中，坡度通常设为每分钟增加1.4°，在持续10分钟的测试内总倾斜度为14°。

（二）研究假设（Hypothesis）

本研究假设由于CPET期间神经疲劳程度的变化，极限和次极限呼吸反应都会受到跑步机坡度的影响。另外，本研究假设VT1反映的是一个强度范围，而不是一个定值，我们可以推测，尽管跑步机坡度的变化可能会影响这个特定的阈值，但从实际情况来看，它的数值在预期的强度范围内。简而言之，10%以内坡度的变化可能不会影响到有氧训练的模式。

二、研究方法（Methods）

（一）实验方法（Experimental approach to the problem）

每位受试者到实验室参观4次，测试间隔48-72小时分散进行。受试者被要求在CPET测试前24小时内禁止饮用酒、咖啡因、功能饮料和进行运动。在第一次参观时，受试者进行了身体测量，并进行了坡道CPET，跑步机坡度等级设置为0%（CPET0%）。在第二、三、四次参观中，受试者进行极限强度CPET，跑步机坡度分别设定为2%（CPET2%）、3.5（CPET3.5%）和5.5%（CPET5.5%），并以随机顺序进行。图1阐明出了实验设计，同其他实验一样，包括从CRF确定最大运动能力的程序，以及通过美国运动医学学院跑步公式计算工作速率增量。

图1 方案设计示意图

（二）受试者（Subjects）

21名男性(年龄33±8岁;身高176.6±5.8 cm;体重80.4±8.7 kg;体脂12.4%±6.4%;VO2max在CPET0% 中44.9±5.7 ml/kg/min)和12名女性(年龄29±7岁;身高163.3±6.7 cm;体重56.6±6.3 kg;体脂19.1±4.4%;CPET0%中VO2max 39.4±4.9ml/kg/min)被招募参加研究。排除标准包括：(a)使用心血管或新陈代谢药物；(b)吸烟，或使用可能影响运动表现的功能性药物；(c)可能限制运动表现的心血管、呼吸、骨骼、肌肉或关节问题。且受试者都签署了知情同意书。

（三）实验过程（Procedures）

1.确定实验方案

CPET 0%是指在跑步机倾角设置为0%的情况下所进行的测试，并在10分钟内根据受试者能力增加跑动速率，得出受试者的耐力极限。考虑到由CRF问卷估计的100%和50%坡度测试，最终速度和初始速度使用美国运动医学学院的跑步机跑步方程确定。在以下4个标准中至少有3个标准存在时，数据才被认作可靠。(a) Borg CR-10评分表上的10分所反映的是最大主观疲劳程度；(b)≥95%的预测HRmax(220—年龄)或存在心率稳定(连续2次工作速率之间的ΔHR≤4 b/min)；(c)存在VO2稳定(连续2次工作速率之间的ΔVO2＜2.1 ml/kg/min)；以及(d)呼吸交换率＞1.15。受试者通过受到言语上的激励力求达到极限疲劳，且跑动时不允许扶着跑步机的侧面栏杆或前栏杆。

2.实验设备与环境

使用Super-ATL跑步机进行测试，平均每30秒记录一次VO2。30秒间歇时间提供了一个很好的折中方案，既能消除VO2数据中的干扰数据，又能使数据保持基本的趋势。气体交换是通过VO2000分析仪来评估的，该分析仪用经认证的标准氧气(17.01%)和二氧化碳(5.00%)与氮气进行混合。用3L的注射器测量呼吸流量计中气体的流量和体积。使用Polar S-810设备持续评估心率。CPET期间的平均环境温度和相对湿度分别为22.0±2.08°C（范围18-23）和62.9±4.5%（范围50-75%）。

（1）确定通气阈值

根据气体交换数据确定通气阈值，特别是通气当量VO2(VE/VO2)和二氧化碳(VE/VCO2)，以及呼出的O2(PETO2)和CO2(PETCO2)部分。第一通气阈值(VT1)指的是VE/VO2与PETO2同时增加，而VE/VCO2和PETCO2没有成比例变化的瞬间。第二通气阈值(VT2)对应于VE/VO2、VE/VCO2和PETO2同时增加，PETCO2减少的瞬间。VT1和VT2由2名之前对数据没有任何了解的有经验的独立评估者以实验者和受试者都不知道的方式确定。2名评估者获得的VT1和VT2的平均值被记录了下来。然而，不同评价者之间的数值差异若超过10%，一位第三者介入，并保留2个最接近值的平均值作为结果。

（2）CPET测试

CPET进行了3个坡度测试：2％，3.5％和5.5％。在这些测试中，初始速度和最终速度分别对应于平坡跑时VO2max的50%和100%，以估计持续时间10分钟的增加速率计算。

3.统计分析

通过同类相关性计算VT1和VT2的评价者之间的一致性（VT1：范围0.91-0.95；VT2；范围0.93-0.97；P＜0.01）。

三、结果（Results）

表1列出了CPET的总持续时间、最大心率（HRmax）、VO2max、VT1和VT2（有对应的速度和VO2数据）虽然跑步机坡度增加时测试持续时间较短，但VO2max或HRmax没有发现差异。最后，两测试之间没有发现CPET结束时疲劳程度的差异。

表2是通过试验得到的VO2与工作负荷的线性关系数据。在没有坡度的情况下进行的测试，计算的截距和斜率最接近。其他测试得到的截距和斜率与理论值的差异分别随着跑步机坡度的增大而增大。因此，CPET2%比CPET3.5%或CPET5.5%更符合工作负荷与VO2在次极限强度的生理关系。

四、讨论（Discussion）

本研究调查了CPET坡度测试期间应用的跑步机倾角对男女健康成年人VO2max、通气阈值以及VO2与工作量之间的潜在影响。在坡道测试中，以对应于预估50%最大心肺能力的速度开始，固定的跑步机坡度从0到5.5%没有影响到VO2max的结果。总的来说，CPET的持续时间建议在6-12分钟范围内。然而，更大的跑步机坡度显著缩短了测试时间（从CPET0% 到CPET2%再到CPET5.5%,分别减少了50％和30％）。对应于VT1的VO2随着跑步机倾角略有增加（从CPET2%到CPET3.5%到PET5.5%分别增长了约10％），而对应于VT2的VO2在各测试中保持稳定。最后，以同一性为参考，较低的跑步机坡度加强了VO2和工作量之间的生理关系，在设计测试时，应考虑到从渐进式次极限强度分析有氧运动学。VO2max不受坡度的影响，但如果坡度设置过大导致测试时间太短，也无法确定最大有氧能力。

值得注意的是，在CPET2%的样本中，只有6%的样本因神经疲劳而中断测试，CPET3.5%的样本中有8%的样本因神经疲劳而中断测试，CPET5.5%的样本中有9%的样本因神经疲劳而中断测试。这些数据证实了这样一个假设，即更大的跑步机坡度会增加神经疲劳，并更容易引起CPET的过早中断。

五、实践应用（Practical Application）

本研究数据表明，当跑步机倾角设置在2%时，持续8-12分钟的速率递增的CPET得到的数据更好。

Silva S C, Monteiro W D, Cunha F A, et al. Influence of Different Treadmill Inclinations on V̇o2max and Ventilatory Thresholds During Maximal Ramp Protocols[J]. The Journal of Strength & Conditioning Research, 2021, 35(1): 233-239.