脊髓损伤者与健全个体的三分钟全力上肢摇柄运动测试实验方案

摘要

我们提出了一种用于测试健全个体以及截瘫和四肢瘫个体上肢肌肉在3分钟持续时间内有氧和无氧功率的实验方案。该方案针对有无残疾个体的上肢运动，在应用方面提供了具体的调整方法。

摘要

可靠的运动方案对于检测精英运动员运动表现的变化至关重要。这些运动员的表现提升可能较小，因此灵敏的测试工具对运动生理学而言至关重要。目前已有多种运动测试可用于评估健全运动员的运动能力，其方案主要针对下肢或全身性运动。当前趋势是采用与运动员日常训练动作高度相似的运动专项测试环境。然而，针对下肢功能障碍受试者进行短时高强度运动能力评估的测试方案仍十分有限。其中多数方案具有高度专项性，难以广泛适用于不同类型的运动员。一种广为人知的测试方案是30秒Wingate测试，该测试在自行车骑行和上肢摇臂测试中已得到广泛应用。该测试用于分析持续30秒的高强度运动表现。为了监测更长时间内的运动表现，研究人员对原有方法进行了改良，使其适用于上肢运动。3分钟全力上肢摇臂测功仪测试可使运动员在运动持续时间上与1,500米轮椅竞速项目相对应，同时也适用于划船、手摇自行车等以上肢为主的运动项目。为提高测试条件一致时的可靠性，精确复制测试参数（如阻力设置）极为关键。即， 扭矩系数）以及参与者的体位（即， 曲柄高度、曲柄与受试者之间的距离以及受试者的固定方式）。另一个重要问题涉及运动试验的起始阶段。为了标准化运动试验开始时的测试条件，需要设定固定的每分钟转数。该运动试验方案凸显了精确操作在重现相同测试条件和设置中的重要性。

引言

有多种运动测试可准确评估精英运动员在训练周期内运动表现的提升^1,2,3,4,5。其中一项测试是在制动的功率自行车测功仪上进行的可靠3分钟全力运动测试^3,4,5,6。该测试最初用于确定临界功率，但也已应用于运动员的运动能力测试以及相关研究^7,8,9。由于该测试主要用于下肢运动表现的评估，例如划船⁷和自行车骑行^3,5，因此有必要开发一种适用于上肢运动的类似测试方案。主要依赖上肢的运动项目可能从这种新的测试方案中获益，此外，下肢肌肉功能受损的运动员或个体（例如，截肢或因脊髓损伤导致肢体功能障碍者）也可能从中受益。因此，使用上肢功率车测功仪的测试方案是一种便捷有效的工具，可用于评估来自不同运动项目的多种运动员的上肢运动表现。

一个非常相似的30秒Wingate上肢功率车测试^10,11为制定一项持续3分钟、全力进行的上肢功率车测试方案提供了帮助。该测试的持续时间与1,500米轮椅竞速比赛非常接近。因此，这项新的3分钟全力上肢功率车测试方案已被评估其重测信度¹²。总体而言，该测试方案具有极佳的可靠性，未来可能成为上肢运动能力测试领域的一项有效测试工具。然而，使用该运动测试时需特别注意，尤其是在对脊髓损伤个体进行测试时。因此，本实验性文章的目的是展示一项详细的操作方案，不仅描述测试设置和结果分析方法，还指出了对健全个体与脊髓损伤运动员进行测试时的差异。

方案

本研究经当地伦理委员会批准（瑞士巴塞尔西北和中部瑞士伦理委员会），并在研究开始前从参与者处获得书面知情同意书。

1. 测试准备与受试者指导

1. 臂力测功仪
   1. 在打开软件之前，先开启转速依赖型手摇功率计的电源。
   2. 选择3分钟全力骑行测功仪测试的实验方案。
      1. 插入一个新方案，包括120秒预热、180秒测试时长和720秒冷却期。选择此测试方案并新建一份受试者记录表。
   3. 每次新测试前，需预先测定受试者的体重。
   4. 将相对扭矩系数设为0.2，适用于健全人和截瘫个体（例如， 对于一名体重100公斤、相对扭矩系数为0.2的受试者，产生的扭矩为20 Nm¹².
      1. 根据脊髓损伤的病变水平，为四肢瘫痪的参与者应用较低的扭矩系数；需要进行两次或更多次适应性试验，以确定该参与者最适宜的相对扭矩系数。
      2. 以与第2节所述相同的方式进行一次适应性测试。如果在打印适应性测试数据后未出现峰值，或受试者无法持续踩踏3分钟，应以较低的扭矩系数进行第二次适应性测试。每次测试之间，应让受试者至少休息两天。
2. 运动测试设置
   1. 调节手摇曲柄的高度并记录该数值，以便在下一次测试中复现相同的测试设置。调节并记录手摇功率计与受试者之间的距离。
      1. 测量高度时，需测定地面与曲柄固定点之间的距离。为记录曲柄与受试者之间的距离，需测量并记录墙面与椅子固定点之间的距离。将手摇曲柄轴调整至与肩关节水平的高度。
   2. 记录墙壁固定点与椅子之间的距离，或功率车与椅子固定点之间的距离。根据参与者情况调整椅子设置：a) 身体功能健全者，b) 截瘫患者，或 c) 四肢瘫痪患者。
      1. 如果受试者行动能力正常，应让其坐在供应商提供的椅子上。
      2. 如果受试者为截瘫患者且需使用自己的轮椅，请使用固定装置将轮椅固定在臂力功率计上。如果受试者无需使用自己的轮椅，则让其坐在供应商提供的座椅上。
      3. 如果参与者为四肢瘫痪，应将其上身固定在经销商提供的椅子上或其自己的轮椅上，并根据需要将手固定在踏板上。固定上身时，使用带有钩毛扣的绑带；对于四肢瘫痪患者的手部固定，应使用腕带。
3. 额外测量
   1. 确保在使用乳酸分析仪前已补充乳酸系统溶液。每六个月插入一次新的芯片传感器。每天使用12 mM质控溶液，每两周使用一次3 mM质控溶液。
      1. 每天早晨将 12 mM 质控溶液放入“STD 1”槽位。
      2. 为进一步提高质量，每隔两周在“1”和“2”间隙中加入3 mM质控溶液，并按下“start”运行一次测量。测量结果应在2.96至3.10 mM范围内。
   2. 在进行3分钟全力上肢摇柄测功仪测试前后，测定全血乳酸浓度时，需先获取基础乳酸浓度值。采血前，用消毒剂对耳垂进行消毒，然后使用10 µL毛细管从耳垂采集血样，采血时使用采血针获取全血样本。
      1. 当毛细管完全充满血液后，将其放入溶血杯中。
         注意：这些试剂杯为市售预装溶血溶液的产品。在将溶液放入乳酸分析仪的样品盘之前，需摇匀直至血液完全混匀。
      2. 在分析乳酸浓度之前进行校准。将质控杯放入乳酸分析仪中（见步骤1.3.1.1）。确保校准结果显示乳酸浓度为12 mM；否则，更换芯片传感器。
      3. 将样品按顺序放入编号的插槽中，第一个采集的样品从“1”号插槽开始放置。
         注意：校准完成后，芯片传感器系统将自动测量样品。
   3. 为测定心率，将心率带绑在受试者胸部，并将心率监测器固定在手摇测力计上。按下监测器上的红色启动按钮开始测量。若手表上未显示心率，可用水润湿心率带，以确保心率信号良好记录。
   4. 为测定热身期间及3分钟全力测试期间的耗氧量，需在测试前对代谢车进行校准。在测试开始前立即进行自动容积和气体校准，然后佩戴面罩。
      1. 在软件中打开自动体积校准功能并按下启动按钮。若屏幕显示误差低于3%，则保存结果。
      2. 在软件中打开气体校准功能，同时打开校准气体，开始自动校准。
         注意：校准气体由5% CO组成₂，16% O₂₂，以及79% N₂校准结束时，若屏幕上显示8个绿色按钮，则表示校准成功，结果可被保存。关闭气体瓶以确保无气体泄漏。
      3. 确保将受试者的实际体重输入计算机程序。在计算机的搜索引擎中选定受试者后，在软件中选择“心肺运动试验”，然后按下开始按钮，启动室内空气浓度的测量。
      4. 进行校准时，将传感器从肺量计中取出，然后按下启动按钮。当计算机显示“ok”时，校准完成。
      5. 同时，在校准过程中，将氧气面罩戴在受试者脸上。
      6. 当完成室内空气浓度的测量且程序准备就绪后，将传感器重新插入肺量计中。然后将整个肺量计放入面罩的腔体内，此时设备已准备好进行氧气消耗量的测量。
      7. 此外，将肺量计的软管固定在某个位置（例如， 用胶带固定在肩部，以免在进行臂力摇柄运动时产生干扰。

2. 实验方案的实施

1. 热身
   1. 开始热身前1分钟，当受试者静坐在臂力功率计上且不移动或说话时，开始测量静息状态下的氧气消耗量。在软件程序中按下开始按钮。
   2. 同时，通过按下红色按钮开始心率测量。在热身期间以及测试过程中和测试结束后持续测量心率。
   3. 在测试开始前进行2分钟、20 W的标准化热身。在热身的最后30秒内，保持60 rpm的恒定转速。对最后10秒进行倒计时。
2. 3分钟全力运动测试
   1. 倒计时结束时，通过大声喊“开始”发出明确的起始信号。发出起始信号后，允许受试者加速。
   2. 指导受试者在测试开始时立即将臂力功率计加速至尽可能高的速度，并在整个测试过程中保持尽可能高的转速。出于标准化考虑，测试期间不得对受试者进行言语鼓励。
   3. 每30秒报时一次。在持续3分钟后结束测试。
3. 恢复期与后续分析
   1. 完成3分钟全力测试后，如需测量，应立即测定血乳酸浓度，之后每隔2分钟测定一次，持续10分钟。采血时重复使用测试前相同的穿刺部位。
   2. 完成3分钟测试后，按下停止按钮终止氧气消耗量的测量，取下氧气面罩。通过按下退出按钮，并在软件提示数据存储时点击“是”，将氧气消耗量的测量数据保存至计算机。
      注意：数据将保存在软件程序中，之后可轻松转换为csv文件。
   3. 如需导出数据，可按下“导出”按钮，将文件转换为csv格式以供后续分析。在耳垂血样采集全部完成后，按下心率监测仪左侧的停止按钮，结束心率测量。

3. 数据分析与结果解释

1. 性能参数
   1. 完成此项性能测试后，分析多个不同参数。
      首先，保存测试并将其导出到电子表格中。
   2. 计算平均功率（P_平均值 = 3 分钟以上的峰值功率以及这 3 分钟期间的最低功率¹².
      注意：峰值功率（P_峰值) 是整个3分钟内的最大功率，功率以0.2秒的时间间隔进行测量。峰值功率为最高值，最低功率（P_分钟最低单次功率测量值
   3. 将疲劳指数计算为从峰值功率到终点功率每秒的功率下降值（（P_峰值 [W] – P_分钟 [W])/(t_分钟 [s] – t_峰值 [s]])
   4. 通过将每秒所做的功相加，计算整个3分钟内的总功（功 [J] = 阻力 [kg] × 每分钟转数 × 飞轮周长 [m] × 时间 [min]）。
   5. 计算从开始到峰值功率的时间（达到峰值功率所需时间 = t_峰值 [s]）。此外，计算相对峰（相对 P_峰值 = P_峰值/千克体重）和平均功率（相对功率P_平均值 = P_平均值/kg 体重），方法是将绝对值除以参与者的体重。
   6. 将3分钟全力测试分为30秒的时段，以评估在这3分钟内的配速策略和疲劳情况。计算每个30秒时段的平均功率（P_平均值 = .
2. 其他测量方法
   1. 将所有血样放入血乳酸分析仪的编号插槽中，按下“分析”按钮自动运行检测。开启打印机，打印血乳酸浓度以供后续分析。
   2. 使用制造商提供的红外设备将心率测量数据传输至计算机。打开心率监测仪的配套软件，将心率监测仪中的数据导入该软件。将数据本地存储，如有需要，可将其导出至电子表格以供后续分析例如， 片段分析¹³.
   3. 在3分钟的起始点和结束点分别设置标记，以便自动计算该时间段内的平均、最大和最小心率。
      注意：软件会自动以5秒为间隔对心率进行平均。
   4. 将耗氧量数据导出为 csv 文件（步骤 2.3），并在电子表格中打开以进行分析¹⁴. 计算静息状态下的平均耗氧量：（VO_{2_rest} = 以及在3 min（VO期间_{2_180s} = ，以及峰值耗氧量和每30秒时间段内的耗氧量：（VO₂）_{2_30s} = .
      注意：耗氧量数据以逐次呼吸为单位进行测量，随后每15秒自动取平均值。峰值耗氧量是指在3分钟运动测试期间，任意15秒时间间隔内的最高耗氧值。
3. 统计学
   1. 使用Shapiro-Wilk检验、Q-Q图和Kolmogorov-Smirnov检验来检验数据的正态分布。若数据呈正态分布，以均值和标准差（SD）表示。
   2. 使用组内相关系数（ICC；3,1 模型）分析重测信度¹⁵.
   3. 使用测量标准误（SEM）、变异系数（CV）、最小真实差异（SRD）以及组内相关系数（ICC）的95%置信区间，计算绝对可靠性和相对可靠性¹⁶.
      注意：ICC 应根据 Munro 分类法进行解读¹⁷0.26 至 0.49 表示低相关性；0.50 至 0.69 表示中等相关性；0.70 至 0.89 表示高相关性；0.90 至 1.0 表示极高的相关性。绝对信度应以 SRD、CV 和 SEM 表示，相对信度应以 ICC 表示。^16,18.
   4. 使用配对 t 检验分析两次测试会话之间的显著性差异。为显示两次测试会话数据集之间的一致性，采用 Bland-Altman 法¹⁹ 图。使用统计软件进行数据分析；全程设定统计显著性水平为 0.05。

结果

在21名非专业上肢训练但经常进行休闲锻炼的非吸烟个体中（9名男性，12名女性；年龄：34 ± 11岁；体重：69.6 ± 11.1 kg；身高：175.5 ± 6.9 cm）检查了测试-重测的可靠性。表1展示了相对和绝对测试-重测可靠性的结果¹²。测试与重测之间的峰值功率比较见图1¹²。该测试-重测的Bland-Altman图见图2¹²。随后，该3分钟全力上肢摇车测功仪测试被用于17名健康对照者（年龄：38 ± 7岁，身高：183 ± 13 cm，体重：79 ± 6 kg）、10名截瘫患者和7名四肢瘫患者（表2）。一名健康对照者和一名四肢瘫患者的个体数据见图3。健康对照者的峰值功率为483 ± 94 W，而截瘫和四肢瘫患者的峰值功率分别为375 ± 101 W和9...

讨论

对脊髓损伤运动员进行运动测试，对于追踪其数月乃至数年训练过程中的运动表现至关重要。目前仅有少数运动测试可用于评估上肢功率车上的短时高强度运动能力。本方法详细描述了一种已在自行车⁵和划船⁷运动中验证过可靠性的测试方法，如何应用于上肢功率车。为获得可靠且有意义的结果，有两个因素极为重要：第一是受试者的测试前准备，第二是测试流程的标准化。因此，应指导受试者在充分休息状态下进入实验室，即测试前两天内无剧烈训练。饮食摄入（例如，测试前24小时摄入富含碳水化合物的食物）和睡眠（例如，测试前两个晚上每晚至少7小时睡眠）也需加以考虑。此外，在进行首次"正式"运动测试之前，应先进行一次适应性试验，以确保受试者充分理解测试方案。第二个条件涉及测试方案的标准化，包括热身、测试开始方式，以及轮椅和手部的固定策略（步骤1.2）。这些设置在同一位受试者每次测试时必须保持完全一致。此外，曲柄高度可能影响功率输出和氧气消耗量²⁰。手握位置在运动后肩部疼痛的临床意义上也可能具有...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Angio V2 手摇功率计	Lode BV, Groningen, NL	N/A	手摇功率计
Lode 运动测试管理软件	Lode BV, Groningen, NL	N/A	软件
10 µl 全程毛细管	EKF-diagnostics GmbH, Barleben, Germany	0209-0100-005	毛细管
溶血杯	EKF-diagnostics GmbH, Barleben, Germany	0209-0100-006	溶血杯
乳酸分析仪	Biosen C line, EKF-diagnostics GmbH	5213-0051-6200	乳酸分析仪
心率监测器，Polar 610i	Polar, Kempele, Finland	P610i	心率监测器
代谢车，Oxygen Pro	Jaeger GmbH	N/A	代谢车
氧气面罩，Hans Rudolph	Hans Rudolph Inc. , USA	113814	氧气面罩
统计软件，PSAW 软件	SPSS Inc., Chicago USA	N/A	统计软件
消毒剂，Soft-Zellin	Hartmann GmbH, Austria	999979	消毒剂
质控杯，EasyCon Norm	EKF-diagnostics GmbH, Barleben, Germany	0201-005.012P6	质量控制
3 mmol/L 质控杯	EKF-diagnostics GmbH, Barleben, Germany	5130-6152	质控杯
乳酸分析仪芯片传感器	EKF-diagnostics GmbH, Barleben, Germany	5206-3029	芯片传感器
乳酸系统清洗液	EKF-diagnostics GmbH, Barleben, Germany	0201-0002-025	乳酸系统溶液
采血针，Mediware Blutlanzetten	medilab	54041	采血针
校准气体，	Jaeger GmbH	36-MC G020	校准气体
经销商提供的座椅（ergoselect）	ergoline GmbH, Germany	N/A	经销商提供的座椅