第4章 心肺适能及其评价定稿.docx
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第4章心肺适能及其评价定稿
第六章心肺适能及其心肺适能的训练
关键术语
心肺适能（CardiorespiratoryFitness）主要反映心脏、血管和肺脏等器官向运动的肌肉组织提供氧的能力。
最大摄氧量（maximumoxygenuptake）：
人体在进行有大量肌肉参加的长时间激烈运动中，心肺功能和肌肉利用氧的能力达到本人极限水平时，单位时间所能摄取的氧量称为最大摄氧量。
乳酸阈（lactatethreshold）：
特指人体在完成递增强度的运动负荷运动中，血乳酸浓度由缓慢递增开始快速递增的临界血乳酸浓度或者运动强度，该指标在一定程度上反映外周肌肉氧利用能力。
摄氧量储备（VO2R）最大摄氧量（VO2max）与安静时摄氧量（VO2rest）的差值。
最大心率（MaxmalHeartRate，HRmax）每个人的心率增加都有一定的限度，这个限度叫最大心率，又称极限心率。
通常，最大心率（beats/min）＝220－年龄。
心率储备（HRR）最大心率（HRmax）与安静时心率（HRrest）的差值。
主观用力感觉尺度（TheScaleforRatings（R）ofPerceived（P）Exertion（E））可被应用于绝大多数身体活动中的一种帮助个体预测和调控运动强度的简单方法。
其中的数字6到20对于中年人来说，大体上相当于其心率的60beats/min到200beats/min。
心脏康复（CardiacRehabilitation）冠心病患者通过有处方的运动锻炼，医疗、营养措施，心理、职业教育和社会咨询指导重新获得正常或接近正常的活动状态的综合方案，其中以运动锻炼为核心内容。
第一部分心肺适能
第一节心血管适能概述
一、心血管适能的定义
心血管适能是健康体适能最重要的组成成分之一，它反映由心脏、血液、血管和肺组成的呼吸和血液循环系统向肌肉运送氧气和能量物质，维持机体从事运动的能力。
由于拥有良好心肺适能的人通常也具有较好的运动耐力或有氧运动能力，因此，心血管适能有时又被称为心血管耐力（cardiovascularendurance）或者有氧适能（aerobicfitness）。
二、影响心血管适能的因素
（一）生理学因素
心血管适能是人体呼吸、血液和循环系统功能的综合表现，受以上各个组成系统功能能力的直接影响。
1．心脏功能
心脏功能是影响心血管适能的最主要生理学因素。
心脏作为心血管系统的动力器官，其主要生理功能是收缩射血，推动全身的血液循环，以适应劳动、运动等不同体力活动和其他生命活动的需要。
通常情况下，心脏功能的强弱主要反映在心输出量（cardiacoutput,CO）的大小，后者是每搏输出量（strokevolume,SV）和每分钟心率（heartrate,HR）的乘积。
例如，健康成年男性在安静状态下的CO约为5L•min-1，（4.5-6.0-20L•min-1）,女性比同体重男性约低10%；缺乏训练的健康人在剧烈运动时CO的峰值一般为15-20L•min-1，而有良好训练的耐力运动员在剧烈运动时CO的峰值则可高达每分钟20-35升。
运动生理学研究证明，运动过程中CO的虽然受HR和SV的共同影响，但SV的影响更为主要。
这一方面是因为CO的变化只是在一定的范围内与HR的改变具有良好的线性相关关系，HR过快并明显影响心室舒张和心室血液充盈时，反而会造成CO下降；另一方面，影响SV大小的心脏射血分数、心室腔容积和心肌收缩力等都具有明显的运动适应性，它们是长期体育锻炼情况下导致CO增加的主要生理学因素。
2．血管功能
血管是由一系列复杂分支的管道组成，人体除角膜、毛发、指甲、牙质及上皮等处外，血管遍及全身。
主动脉等血管的管壁富含弹性纤维，具有明显的可扩张性和弹性，它不仅担负运输血液的任务，而且可在左心室射血时贮存部分血液，缓冲动脉血压的巨大波动，使间断性的心室射血变为连续的血流；小动脉的末稍和微动脉，管壁富含平滑肌，受神经和体液调节而产生明显的舒缩活动，是造成血流阻力的主要部分。
它对调节各器官的血流量和动脉血压起着重要作用；毛细血管，其管壁仅由单层内皮细胞构成，通透性很大，故气体和小分子物质可通过管壁，成为血管内外物质交换的场所；而静脉血管数量较多、口径较粗、管壁较薄，故容量较大，故承担了血液贮存库的作用。
此外，营养心脏的血液来自主动脉根部发出的左、右冠状动脉。
它们位于冠状沟内，在沟内反复分支进入心壁形成毛细血管网，经静脉汇合于冠状窦，进入右心房。
这个独立的循环系统是保证心肌氧气、营养物质供应和心脏收缩射血的重要条件。
运动生理学研究表明，血管功能改变对心血管适能的影响主要是通过以下几种机制实现的。
一是运动时外周血管阻力下降，减少了心室射血的后负荷，使得心室射血变得更加顺畅，CO增加；二是运动时骨骼肌小动脉血管反射性舒张，内脏和皮肤小动脉血管反射性收缩，从而使血流分布模式发生改变，使得运动肌获得更多的血液，更好地满足其活动的需要；三是受长期体育锻炼和运动训练的影响，外周肌细胞毛细血管分布的密度增加，这一变化有助于改善肌肉组织的微循环状态，从而增强肌肉耐力等。
3．呼吸与血液
人体运动等各种生命活动所需要的氧气和营养物质以及新陈代谢产生的二氧化碳气体等代谢产物均离不开肺与组织的呼吸以及血液的运输作用。
安静状态下，人体每分钟肺通气量约为6－8L，极限运动时的最大肺通气量可高达150L•min-1以上，而判断最大吸氧量的肺通气量标准通常为110－120L•min-1，故通常情况下肺通气功能具有较大的功能储备，一般不构成对心血管适能的明显影响。
相反，在组织呼吸方面，由于长期从事体育锻炼或耐力训练能够明显增加肌肉线粒体数量和氧化能力，因此能够在一定程度上增加外周肌肉的氧利用能力，从而影响肌肉运动的耐力等。
血液氧气的运输与红细胞中的血红蛋白与氧气结合成氧合血红蛋白的数量有关，研究发现1g血红蛋白可与1.34-1.36ml的氧气结合，所以红细胞数量越多或者血红蛋白浓度越高，所能携带的氧气就越多。
正常情况下，成年男性血红蛋白的浓度约为12-16g•100ml-1，成年女性约为11-15g•100ml-1。
运动生理学研究表明，长期从事耐力性运动能够增加血液血红蛋白的含量和血氧运输能力，从而改善外周肌肉的氧气供应，提高肌肉活动的耐力等。
除此以外，滥用促红细胞生成素（EPO）也能明显增加血液血红蛋白的含量，这是国际奥委会严格禁止的违规行为。
（二）遗传
遗传因素是影响心血管适能的重要因素。
以最大吸氧量为例，有人通过对单卵双胎和双卵双胎受试者最大吸氧量（maximumoxygenuptake，VO2max）的研究发现，单卵双胎受试者间的VO2max差异较小，而双卵双胎受试者间的差异较大，证明遗传因素对VO2max有较大的决定作用。
此外，还有人研究发现，在影响VO2max的各种因素中，遗传因素的影响度也是最大的，约为25-50%。
在长期耐力训练的影响下，机体的VO2max也产生相应变化，但个体差异较大（0~50%），目前认为造成这一现象的原因也与遗传因素有关。
此外，最大通气量、红细胞和血红蛋白、慢肌纤维的百分比等都与遗传有关。
（三）年龄和性别
如图6-1所示，发育过程中，VO2max的绝对值（L•min-1）随年龄增长而增加，男子约在16岁时达到顶峰，女子约在14岁时达到顶峰。
14岁时，男女VO2max绝对值的差异约为25%，16岁时高达50%。
但如以相对值表示（ml•kg-1•min-1），男性在6-16岁期间VO2max稳定在53ml•kg-1•min-1水平，而女性则从52.0ml•kg-1•min-1逐渐下降到40.5ml•kg-1•min-1，这一差距可能与女性体内脂肪贮量岁年龄增长而增加有关。
25岁以后，VO2max以约每年1%的速度递减，55岁时VO2max较20岁时平均减少约27%。
然而，也有研究指出，30岁以后，活动少的人VO2max每10年降低8～10％，而活动多的人，每10年只下降4～5％。
长期坚持耐力运动者，每10年甚至只降低1～2％。
女子VO2max较男子小，与女子心泵功能不如男子，血红蛋白含量低于男子以及体脂含量多于男子等因素有关。
VO2max的性别差异还取决于VO2max的表示方法，如表6-1所示，当以绝对值表示VO2max时，其性别差异为43%，以体重相对值表示时差异为20%，而当以瘦体重相对值表示时，差异只有9%。
图6-1VO2max与年龄、性别的关系
表6－1VO2max的表示方法及性别差异
女性
男性
差异％
L•min-1
2.0
3.5
-43
ml•kg-1•min-1
40
50
-20
ml•kg-1LBM-1•min-1
53.3
58.8
-9
体重，kg
50
70
-29
体脂，%
25
15
+10
瘦体重，kg
37.5
59.5
-37
（四）训练
心血管适能明显受运动训练的影响。
以不同项目运动员的VO2max为例，短距离、爆发力项目运动员VO2max较低，而长距离、耐力性项目较高。
以往研究发现的VO2max最高的人为一名越野滑雪运动员，其绝对值为7.4L•min-1，相对值为94ml•kg-1•min-1。
运动生理学研究表明，有氧训练可使受训者VO2max增高，其增高的程度与训练前的VO2max水平有关，训练前的VO2max水平低，其增进效果明显。
无训练者或心血管适能低下者在刚开始训练时，最大摄氧量的增进明显，其后增进逐渐趋向缓慢。
研究认为造成运动训练早期VO2max增加的主要原因是心肺功能的改善。
而当VO2max增加到一定水平后，CO增加已经达极限，VO2max小幅度的改变主要是依靠肌肉对氧利用的改善而实现的。
（四）体脂
VO2max相对值是以kg体重为单位计算的，如果体重增加，心血管适能就会下降。
30岁以后心血管适能随年龄增长而降低，有一半是由体脂的增加造成的。
所以，保持或改善心血管适能水平的最简易方法就是减少多余的脂肪。
第二节心血管适能的测评
心血管适能的测评方法较多，有直接反映心脏泵血功能的最大心输出量测量和反映机体氧气摄取和利用能力的最大吸氧量，也有间接推测心血管适能的台阶试验、20米往返跑试验、12分钟跑走试验等各种运动负荷试验。
由于间接测试的方法简便且易被接受，因此成为当前心血管适能测评的常用手段。
一、心血管适能的间接测评
（一）最大运动试验
1．Bruce跑步试验
Bruce跑步试验（Brucetreadmillprotocols）是最为常用的冠心病诊断和VO2max预测试验。
该试验要求受试者按照预先设定好的运动负荷程序（表6－2）在跑步机上完成跑步运动，直至运动耗竭，记录受试者最大持续运动时间（min），然后分别依据以下的预测公式计算VO2max：
经常运动的男性：
VO2max＝3.778×（运动持续时间）＋0.19
不经常运动的男性：
VO2max＝3.298×（运动持续时间）＋4.07
心脏病人：
VO2max＝2.327×（运动持续时间）＋9.48
健康成年人：
VO2max＝6.70—2.82×（性别）＋0.056×（运动持续时间）
其中，VO2max的单位为ml·kg-l·min-l；经常运动的男性、不经常运动的男性和心脏病人的运动持续时间单位为分钟；健康成年人的运动持续时间单位为秒。
男性为1，女性为2。
表6－2Bruce试验运动负荷方案
阶段
持续时间（min）
速度（mph）
坡度（％）
1
3
1.7
10
2
3
2.5
12
3
3
3.4
14
4
3
4.2
16
5
3
5.0
18
6
3
5.5
20
7
3
6.0
22
Bruce等研究发现，采用该运动程序和预测公式获得的VO2max预测值与实测值之间高度相关（正常女性0.93，正常男性0.87）；Foster等研究发现两者的相关系数高达0.96,测试误差为0.6ml·kg-l·min-l。
可见，采用Bruce方案预测VO2max具有较高的内部效度。
2．Balke跑试验
Balke跑试验（Balkeprotocol）是一种恒定跑速的最大运动负荷试验。
最初的Balke跑试验开始时，受试者以3.3mph（90m·min-l）的速度开始跑动，之后每间隔1分钟递增坡度1％，直至运动时的HR达到180bpm，记录最后达到的坡度值。
然后，按照以下公式计算VO2max：
VO2max＝跑速×[0.073+（坡度%/100）×1.8
式中，VO2max的单位是ml·kg-l·min-l；跑速为m·min-l；坡度％为运动试验最后达到的坡度值。
3．20米往返跑法
20m往返跑测验（20Metershuttletest,20-MST）是Leger等于1982年提出的以渐增负荷方式运动来评估最大吸氧量的方法。
Leger等认为以往的方法均为非渐增负荷运动，因而不能充分发挥受试者心肺耐力的潜力。
因此设计了以渐增负荷方式来评估最大吸氧的20m往返跑测验。
大量的研究表明此方法具有较高的效度和可靠性。
20m往返跑可以在室内外进行，不受气候和场地差异的影响，而且不需要测量心率，仅需要一台录音机，比台阶实验更易实施，具有广泛的适应性。
目前，该方法是欧洲各国、加拿大和日本等许多国家所采用的心肺耐力评价方法。
20m往返跑方法是让受试者在两条相距20米的所划线内来回往返跑，跑速受录放机磁带上间隔双间指挥，初级速度为8km/h，每1min增加一级（即增加0.5km/h），测试过程中，受试者通过间隔双音信号来控制并调整其速度，尽最大努力如果连续三次不能跟上节拍到达终线，或确感难以完成时即停止，记录最后阶段的速度级别。
代入Leger回归方程式：
VO2max（ml/kg/min）=31.025+3.238VO2max-3.248A+0.1536×A×VO2max
其中：
VO2max（最大跑速km/h）=8+0.5×最高级别；A—年龄（岁）。
国外有学者研究发现，20-MST与VO2max的相关系数较高。
其中，8－19岁组的相关系数为0.89，20－45岁组为0.95。
我国学者陈嵘等通过比较研究发现，20米往返跑与以绝对值、体重相对值和去脂体重相对值表示的VO2max的相关系数分别为0.796、0.799和0.698，相关程度明显优于台阶指数。
王翔等以20米往返跑的最后一级跑速（最大有氧速度，MAS）为自变量，建立了适合于我国学生的VO2max预测公式，即：
（ml·kg-1·min-1）=-21.672+5.691×MAS（km·h-1）。
以上研究为在我国建立更加合理和有效的心血管适能现场评价方法和标准提高了重要的科学依据。
运动生理学研究发现，最大运动负荷试验较之亚最大运动负荷试验对VO2max的预测效度更高，但是，与此同时这类试验对心血管系统的负荷也明显大于亚最大运动试验。
因此，该类运动试验比较适合健康青年人和运动员人群，而被用于心脏病患者的检测时应倍加注意。
（二）亚最大运动试验
1．l2min跑
12min跑（12minrunning）是一种无需任何专门设备简便易行的亚最大运动负荷试验。
测定时，要求受试者以均匀的速度，尽力连续跑12min，记录其跑的总距离（m），如果受试者完成12min跑很吃力，可以根据自身体能状态，采用“跑”或“跑走交替”的方式完成。
之后可按以下公式推算VO2max和按照表6－3提供的标准评价其心血管适能水平。
VO2max（ml·kg-l·min-l）＝35.97×距离（英里）－11.29
例如某女性在12min内跑完1.2英里，其V02max为：
V02max（ml·kg-1·min-1）=35.79（1.2）-11.29=31.9
库珀的研究表明，12min跑成绩与用直接法测得的每kg体重的最大摄氧量呈高度相关，相关系数达0.897；日本学者浅见以日本人为研究对象的研究结果也证实它们之间的相关系数可达0.87。
蔡秋以体育系男女大学生为研究对象，也得出它们之间的相关系数为0.87。
但是，由于该预测公式是根据对男性受试者研究获得的，因此，也有一些研究发现其与V02max的相关系数较低。
此外，该预测公式并为考虑年龄和体重因素的作用。
采用库珀12min跑预测的V02max评价不同年龄和性别受试者心血管适能的标准参见表6－3。
表6-3不同年龄、性别的心血管适能分类
性别
等级
年龄（岁）
13-19
20-29
30-39
40-49
50-59
60＋
男子
1.很低
＜35.0
＜33.0
＜31.5
＜30.2
＜26.1
＜20.5
2.低
35.0～38.3
33.0～36.4
31.5～35.4
30.2～33.5
26.1～30.9
20.5～26.0
3.一般
38.4～45.1
36.5～42.4
35.5～40.9
33.6～38.9
31.0～35.7
26.1～32.2
4.高
45.2～50.9
42.5～46.4
41.0～44.9
39.0～43.7
35.8～40.9
32.3～36.4
5.很高
51.0～55.9
46.5～52.4
45.0～49.4
43.8～48.0
41.0～45.3
36.5～44.2
6.超优秀
＞56.0
＞52.5
＞49.5
＞48.1
＞45.4
＞44.3
女子
1.很低
＜25.0
＜23.6
＜22.8
＜21.0
＜20.2
＜17.5
2.低
25.0～30.9
23.6～28.9
22.8～26.9
21.0～24.4
20.2～22.7
17.5～20.1
3.一般
31.0～34.9
29.0～32.9
27.0～31.4
24.5～28.9
22.8～26.9
20.2～24.4
4.高
35.0～38.9
33.0～36.9
31.5～35.6
29.0～32.8
27.0～31.4
24.5～30.2
5.很高
39.0～41.9
37.0～40.9
35.7～40.0
32.9～36.9
31.5～35.7
30.3～31.4
6.超优秀
＞42.0
＞41.0
＞40.1
＞37.0
＞35.8
＞31.5
2．Balke15min跑法
Balke15min跑法是根据受试者在15min内跑和走的最大距离，并通过以下关系计算VO2max的：
跑速为150m·min-1时的平均V02 为33.3ml·kg-1·min-1；
跑速超过150m·min-1部分，跑速每增加1.0m·min-1，V020.178ml·kg-1·min-1；
例如某人在15min内跑完2918m，则其平均跑速为194.5m·min-1，超过平均跑速150m·min-1部分为44.5m·min-1，这部分的为V0244.5×0.178=7.92ml·kg-1·min-1，此人的V02max=33.3ml·kg-1·min-1+7.92ml·kg-1·min-1=41.22ml·kg-1·min-1。
3．Astrand-Ryhming列线图法
这一方法是瑞典学者Astrand和Ryhming对年龄在18-30岁青年受试者在完成亚最大负荷时VO2max与HR之间的关系基础上建立的一种预测方法。
该方法的运动负荷试验既可以是台阶试验，也可以是自行车功量计试验。
在台阶试验中，男子在40cm高的台阶上，女子在33cm高的台阶上，以22.5次•分-1的频率上下台阶5min，测量运动结束后第一个10sec的HR，然后乘以6转换为bpm，作为恢复期第1min的HR，在列线图上（图6－2）将受试者的体重（Kg）与心率相连，交VO2max斜线上的点即为该受试者的VO2max。
例如某女性，体重61kg，台阶试验后恢复器地1min的HR为156bpm，连接两点，相交VO2max斜线的值是2.4L•min-1。
在自行车功量计试验中，让受试者以某一输出功率的负荷强度，以50或60rpm的频率连续踏车6min，记录第5-6min的HR。
受试者的负荷强度可视其身体健康或体能受平而确定，通常情况下需要是受试者在完成运动负荷试验时的HR介于130-170bpm之间。
运动负荷试验结束后，连接受试者HR于自行车功量计的输出功率，交VO2max斜线上的点，即为该受试者的VO2max。
例如某40岁的男性，以200W负荷强度进行踏车运动时第5-6minHR为166bpm则其VO2max为3.6L•min-1；某25岁的女性以100W负荷强度进行踏车运动时第5-6min的HR为156bpm则其VO2max为2.4L•min-1。
注意通过Astrand-Ryhming列线图法获得的VO2max还应通过年龄系数进行校正，因为VO2max随年龄增大而减小。
在以上的例子中，某40岁男性的实际VO2max=3.6×0.83=2.99L•min-1；而25岁女性的VO2max=2.4×1.0=2.4L•min-1。
年龄校正系数见图6-2和表6－4。
Astrand等最初通过对比研究发现，采用列线图方法预测获得的VO2max与采用自行车功量计为运动负荷功率直接测量获得的VO2max之间的相关系数介于0.71-0.78之间。
之后，更多的研究发现其间的相关系数通常介于0.69-0.92之间，初步证明Astrand-Ryhming列线图法是一种较为理想的VO2max间接预测方法。
但是，也有研究发现采用这种方法往往低估了运动很少和很有训练的两个极端人群的VO2max，而高估了女性人群的VO2max。
4．台阶试验
（1）哈佛台阶试验（Harvardsteptest）通过运动负荷的方法检测和评价心血管系统的功能最初是由哈佛疲劳实验室的Bill博士及其同事共同建立的，当时他们使用的运动负荷工具是跑步机，要求受试者在8％坡度的跑步机上以7mph的跑速持续运动5分钟。
运动结束后，检测恢复期第1-1.5分钟、2-2.5分钟和4-4.5分钟的HR，然后根据以下公式计算评价指数，用以评价心血管系统的功能：
评价指数＝运动负荷的持续时间（秒）×100/2（1-1.5分钟HR＋2-2.5分钟HR＋3-3.5分钟HR）
1943年，哈佛疲劳实验室的Brouha及其同事依据同样的原理以上下小登（高度50.8cm）的方法取代跑步机进行运动负荷试验，并按照Bill的算法计算评价指数，这一试验后来被称作哈佛台阶试验，用以评价机体对剧烈运动的适应能力和运动后身体机能的恢复能力（表6－5）。
Brouha等以哈佛大学的2200名学生为实验对象，探讨台阶试验的检测效度，发现运动员人群明显高于非运动员人群、运动训练可以提高台阶试验指数、停训可以降低台阶试验指数。
这一研究结果后来也被其他许多研究所证实。
然而，若以反映心血管适能的更加有效的指标VO2max作为效标来考察台阶试验的评价效度，发现台阶试验指数与VO2max的相关系数介于0.35-0.77之间，且各研究之间存在较大差异。
此外，比较不同年龄阶段受试者的台阶试验指数及其与VO2max变化的关系，也可以明显发现台阶试验指数不能有效反映心血管适能的增龄性变化。
显然，以台阶试验指数整体性反映心血管适能尚无确切的科学依据。
（2）Queens学院台阶试验该台阶试验是由McArdle等于1972年建立的短时间台阶试验。
该试验要求女性大学生受试者在3分钟时间内以22次/分钟的频率上下高度为41.3cm的台阶，运动试验结束后检测恢复期5－20秒的HR，然后转换成每分钟HR，按
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