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方法文章

进行最大与次最大耐力运动测试以测量人体对急性运动的生理与生物学反应

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DOI：

10.3791/58417

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2018年10月17日

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1Department of Cardiovascular Diseases, Mayo Clinic, 2Department of Laboratory Medicine and Pathology, Mayo Clinic

本文内容

摘要

为了评估运动强度对生理和生物学反应的影响，采用了两种不同的运动测试方案。本文描述了在功率自行车上进行递增性最大摄氧量测试以及耐力性稳态次最大耐力测试的运动测试方法。

摘要

规律的身体活动对人类健康具有积极影响，但调控这些效应的机制仍不明确。急性运动引起的生理和生物学反应主要受运动方案持续时间和强度的影响。随着运动 increasingly 被视为一种治疗手段和/或诊断工具，采用可标准化的方法来理解变异性并提高运动输出及反应测量结果的可重复性显得尤为重要。为此，我们描述了两种产生不同生理输出的自行车运动方案。在最大运动测试中，运动强度持续增加，负荷加大，导致心肺和代谢反应（如心率、每搏输出量、通气量、氧气消耗量和二氧化碳生成量）随之增强。相比之下，在耐力运动测试中，运动需求从静息状态开始增加，但上升至一个固定的亚最大强度，使心肺和代谢反应通常达到平台期。除实验方案外，我们还提供了若干生理输出指标的测量建议，包括但不限于心率、慢速和用力肺活量、气体交换参数以及血压，以促进不同研究间运动输出结果的比较。随后可采集生物样本，用于评估细胞、蛋白质和/或基因表达水平的反应。总体而言，该方法可灵活适用于研究两种不同运动方案的短期和长期效应。

引言

身体活动是指由骨骼肌收缩引起的、需要消耗能量的任何身体运动1。运动是一种有计划的身体活动，通过重复性的身体动作来改善或维持一个或多个身体健康的组成部分2。曾几何时，人们并不建议重症患者进行身体活动。对于癌症患者、心力衰竭患者，甚至孕妇，临床实践中更倾向于卧床休息而非身体活动。然而，随着运动对整体健康益处的证据日益确凿，临床实践已发生根本性转变3。规律的运动已被证明有助于降低心血管疾病风险、全因死亡率、癌症风险和高血压，改善血糖控制，促进体重减轻或维持，并预防骨量和肌肉流失4,5,6,7,8。

运动的广泛益处已促使许多人将运动作为一种"药物"，并将其作为多种疾病状况的替代或辅助治疗选择3。Shulman et al. 研究表明，跑步机训练与抗阻运动相结合可改善帕金森病患者的步态速度、有氧能力和肌肉力量，从而提升运动控制能力及整体生活质量9。在心力衰竭患者中，运动耐受性差和药物干预不足导致生活质量低下10。HF-ACTION 试验中接受运动训练的心力衰竭患者的初步结果显示，其生活质量得到改善，并降低了住院率和死亡率11。此外，将运动应用于缓解含蒽环类化疗药物（例如，多柔比星）引起的心脏毒性作用的研究表明，无论运动是在患者接受化疗前、化疗期间还是化疗后开始，均可产生有益效果，如减缓有氧能力下降、减轻左心室功能障碍以及减少氧化损伤12。

运动对健康和 wellness 的益处不仅体现在其作为药物/治疗手段的应用上，还体现在其作为诊断工具的作用。例如，运动测试可用于诊断运动不耐受、心脏缺血，或明确呼吸困难的原因13。或许更为重要的是，运动测试可用于识别亚临床功能障碍。在大多数情况下，人体具有“过度构建”的特点"，因此功能障碍或病理生理变化往往在数月甚至数年内都隐藏不显，个体难以察觉。这一现象或许可以解释为何肺动脉高压或胰腺癌等疾病在症状出现时，病情通常已非常严重且极难治疗2" 。在某些情况下，运动测试可为身体提供一种应激刺激，使生理需求超过日常生活水平，有时可发现静息状态下无法察觉的功能障碍（如心脏、呼吸或代谢功能障碍），从而有助于更早诊断疾病并启动治疗。

为了充分挖掘运动在治疗和诊断方面的潜力，需要采用标准化方法来量化对体力活动的反应，以准确评估运动对整体免疫健康的影响。负荷强度、坡度、持续时间、运动类型以及样本采集时间等因素的变化均可能影响生理反应的测量结果。本文概述了用于获取生理数据并同时采集生物反应样本的最大强度和次最大强度耐力运动实验方法。该方法已被用于研究急性运动对外周血白细胞亚群分布与频率的影响。14 通过测量 通过10色流式细胞术方案，在运动前后不同时间点对免疫细胞群体进行流式细胞分析，可同时定量所有主要的白细胞亚群15以下方案可作为测量运动生理和生物学反应的两种不同运动方案的标准化方法。

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方案

该方案已获得梅奥机构审查委员会的批准，并符合《赫尔辛基宣言》的规定。所有参与者在参加所述检测前均签署了书面知情同意书。

1. 代谢车的校准与设置

  1. 流量与容积（ pneumotach ）校准
    注意：具体材料和设备列于材料表中。
    1. 打开肺功能与气体交换软件，以进行测试前的校准。
    2. 点击“校准”按钮以打开校准窗口。在校准窗口底部，记录室温、大气压和湿度——使用气压计确保这些数值准确。
    3. 将脐带线和采样管插入 pneumotach，然后将 pneumotach 插入 3 L 注射器中。
    4. 开始校准前，点击“零流量”按钮，以确保注射器中无气流通过。
    5. 点击“开始”以启动校准。先抽气，再推气。重复 4 次（共 5 次），每次使用不同的流速。每次抽气/推气时保持恒定流速，下一次迭代时改变流速。
  2. 气体校准
    1. 将呼吸质谱仪/气体分析仪/代谢车的采样管连接至系统上的校准/家用端口。
    2. 在肺功能软件中，于校准窗口选择 O2/CO2 分析仪选项卡。打开参考气体（室内空气，21% O2，0.04% CO2）和校准气体（12% O2 和 5% CO2）钢瓶。
    3. 选择“校准”按钮。
      注意：软件将控制代谢车系统中的电磁阀，切换校准端口所采样的参考气体与校准气体。由此，软件将评估是否存在偏移、因采样管长度导致的采样延迟以及 2–90% 响应时间。校准完成后，将出现绿色的“校准成功”提示信息。
  3. 最终设置
    1. 从气体校准端口拔下采样管，重新插入 pneumotach 中，然后在 pneumotach 上安装一个口嘴。
    2. 等待受试者到达以进行运动测试。
    3. 受试者到达后，向其介绍研究内容及其参与事项，与其共同审阅知情同意书并由其签署；在访视过程中持续告知其接下来的操作步骤，并在执行每项操作前进行解释。
      注意：纳入与排除标准将根据运动测试的目的而有所不同；本研究招募的受试者均为健康、非吸烟者，无已知的心肺或免疫系统疾病，且未使用任何类固醇或免疫调节药物。

2. 肺功能测试（PFT）

注意：所述肺功能测试方法是美国胸科学会和欧洲呼吸学会所发表方法的简要概述，更多详细信息请参考其出版物16,17。

  1. 缓慢肺活量（SVC）操作
    1. 指导受试者坐直，背部挺直，双脚平放在地面上，双腿不要交叉。
    2. 指导受试者将嘴完全包住咬嘴并咬紧；同时为受试者佩戴鼻夹，以封闭鼻腔。
    3. 在软件上启动操作。开始时，指导受试者继续正常呼吸。
    4. 观察受试者的潮式呼吸，并让其持续呼吸，直至达到稳定的呼吸模式。
    5. 指导受试者进行最大程度的吸气，然后缓慢呼气。受试者应持续排空肺部，直到无法再呼出气体为止。此时流量-时间曲线将出现平台期。在此点，指导受试者进行一次最大吸气。
    6. 停止测量，并指导受试者松开咬嘴，取下鼻夹，必要时可稍作休息。
      注：至少进行三次SVC测量。为符合美国胸科学会（American Thoracic Society）标准，最大肺活量（VC）和吸气量（IC）的数值中，任意两次测量结果之间的差异必须在5%或150 mL以内。最多可进行四次操作，以获得三次符合标准的结果16,17。
  2. 用力肺活量（FVC）操作
    1. 指导受试者握住咬嘴并佩戴鼻夹，保持相同的坐姿。
    2. 在软件上启动操作，并指导受试者继续正常呼吸。确保受试者已建立稳定的呼吸模式，至少完成四次潮式呼吸。
    3. 指导受试者充分且快速地吸气，随后立即用力尽可能快地呼气（暂停时间<1秒）。
    4. 告诉受试者/患者继续努力将肺内所有空气“爆发式”地呼出，保持直立姿势直至完成完全呼气。这在容积-时间曲线上表现为平台期。要求他们尽可能长时间地持续尝试呼气，理想情况下持续6秒。
    5. 完成上述操作后，指导受试者进行一次最大吸气，并在软件上停止操作。
      注：该测试应至少重复两次，确保两次最大的FVC和FEV1 值之间的差异在5%或150 mL以内。最多可进行八次操作，以获得两次符合标准的结果。
  3. 最大自主通气量（MVV）操作
    注：该操作的目标是让受试者尽可能快速地移动最大量的空气。应指导其在快速呼吸的同时，尽可能进行深呼吸。
    1. 指导受试者握住咬嘴并佩戴鼻夹，保持相同的坐姿。
    2. 在软件上启动操作。
      注：顶部的倒计时条将显示开始数据采集/测量前所需的呼吸次数（通常为三次）。
    3. 在倒计时还剩一次呼吸时，指导受试者开始通过咬嘴进行深而快的呼吸。此状态需持续12秒。
    4. 在整个过程中鼓励受试者进行深而快的呼吸。若受试者无法继续，应立即停止测试。
    5. 12秒结束后，指导受试者恢复正常的呼吸。他们可能会感到头晕，因此应鼓励其坐稳并进行缓慢而深的呼吸。
      注：为保证可重复性，该测试应至少进行两次，建议变异率小于20%。

3. 运动测试

  1. 电极放置
    1. 如有毛发，先剃除电极放置部位的毛发以准备皮肤。用酒精棉片擦拭该部位，再用研磨垫擦拭，以去除死皮细胞。
      注意：电极可在完成后放置，但需确保电极上有足够的导电凝胶，不得干燥。
    2. 使用以下电极放置方法，为受试者连接12导联心电图的电极。
      1. 肢体导联电极放置位置如下：RA：右侧锁骨下窝；LA：左侧锁骨下窝；RL：右侧背部，紧靠髂后上棘上方；LL：左侧背部，紧靠髂后上棘上方
      2. 胸导联电极放置位置如下：V1：胸骨右缘第4肋间隙；V2：胸骨左缘第4肋间隙（与V1同水平）；V3：左侧胸前区，位于V2与V4连线的中点；V4：左侧第5肋间隙锁骨中线处（通常位于乳房或乳头下方）；V5：与V4同水平，位于腋前线（上臂腋前皱襞下方延伸线）；V6：与V4和V5同水平，位于腋中线。
  2. 递增性最大功率自行车测试 — 第1次访视
    注意：进行最大运动量测试 伴随着风险。美国运动医学学会提出了如何识别在测试过程中发生不良事件风险较高个体的方法。13具有以下情况者被视为具有显著风险：已知患有心血管、肺部和/或代谢性疾病；主要症状包括静息或轻度活动时出现胸痛、呼吸困难（SOB）、头晕或晕厥、端坐呼吸、踝部水肿、心悸或心动过速、间歇性跛行、已知心脏杂音、日常活动时出现异常疲劳或呼吸困难；或具备至少两项心血管疾病危险因素：心肌梗死或猝死家族史、年龄（男性 ≥ 45 岁，女性 ≥ 55 岁）、 currently smoker、久坐生活方式 < 每周进行3天、每次30分钟中等强度体力活动，持续至少3个月），肥胖（BMI ≥ 30 kg/m²）2），高血压（收缩压（SBP）≥ 140 mmHg 或舒张压（DBP）≥ 90 mmHg），血脂异常（总胆固醇 ≥ 200 mg/dL；低密度脂蛋白胆固醇（LDL）≥ 130 mg/dL；高密度脂蛋白胆固醇（HDL） < 40 mg/dL，或正在接受降脂药物治疗），糖尿病前期（空腹血糖） > 100 mg/dL）。所有最大运动负荷试验均应在接受过临床运动测试培训的医疗专业人员监督下进行，现场至少应有两人，一人负责监测心电图，另一人负责测量血压并观察患者状况。对于高风险个体，测试过程中应有医师在场；而对于低风险个体，可无需医师在场，但建议医师在附近并能立即到位以应对紧急情况。实施测试的人员应具备基础生命支持能力，测试房间内应配备自动体外除颤器（AED），且至少有一名或多名操作人员接受过高级心脏生命支持培训。测试人员应熟悉应对医疗紧急情况的预案，并备有相应的紧急联络电话。
    1. 将受试者调整至自行车上，确保座椅和车把位置舒适。
      注意：座椅高度的一般建议为，当脚踏处于最低位置时，腿部应略微弯曲。座椅还应进行水平调节，使得当曲柄臂与地面平行时，膝盖应位于跖骨上方，而跖骨应位于脚踏轴心上方。车把高度应与座椅齐平或略高于座椅，并调整至适当距离，使受试者肘部保持轻微弯曲。车把位置需根据骑行者的经验而定：经验丰富的骑行者可能倾向于更前倾的姿势，而较少骑自行车者则通常偏好更直立的坐姿。
    2. 将脉搏血氧仪放置于受试者前额。使用酒精棉片擦拭放置部位，以清除任何化妆品或污垢。 等等。 并用头带将其固定在额头上。
    3. 向受试者讲解运动试验流程，告知其在整个测试过程中需始终通过咬嘴进行呼吸，并且只能用口呼吸，因为鼻腔将使用鼻夹封闭。
      注意：使用口件和鼻夹并非唯一选择；也可使用覆盖口鼻的面罩，使受试者可通过口或鼻进行呼吸18通过肺功能软件持续测量并记录气体交换指标。采用12导联心电图（ECG）持续监测心率（HR）和心律。通过外周血氧饱和度（SpO₂）监测氧合情况。2) 将通过脉搏血氧仪持续监测。这些外部信号（HR、SpO₂2) 可连接至代谢车，以便所有测量数据被统一记录。若无法实现，HR 和 SpO2 应每分钟在记录表上记录一次。
    4. 从肘前静脉抽取5 mL血液样本（运动前基线血样）。
    5. 休息2分钟后，开始数据采集，随后启动运动方案，并指导受试者开始运动。 踩踏。要求他们将踏频控制在每分钟60至80转之间。
      注意：本研究采用的最大运动负荷试验方案为起始负荷50 W，每2分钟增加30 W。具体方案可根据受试人群和测试目标进行调整。对于老年人或患者群体，第一阶段可采用无负荷骑行，以便受试者在增加阻力前活动下肢。而对于年轻健康个体，通常无需此步骤，因为50 W的负荷已足够低，可作为热身。以0 W负荷维持目标踏频骑行实际上比从开始即施加阻力更具挑战性。
    6. 让一名辅助技术人员在每一阶段开始1分钟后测量受试者的血压（BP），同时另一名技术人员协助进行测试。然后要求受试者根据博格自觉用力评分（Borg Rating of Perceived Exertion, RPE）量表对其自身的用力程度进行评分，其中6分表示感觉用力程度很轻（如同静坐或站立不动），20分表示感觉用力程度达到其能想象的最高强度。18在每个阶段的最后30秒内获取12导联心电图打印记录。
    7. 继续测试直至受试者力竭，力竭的判定标准为出现以下至少两项情况：无法维持自行车踏频在60-80转/分钟，受试者的VO₂2 平台期，且不随负荷增加而上升，其呼吸交换比（RER）大于或等于1.1–1.2，和/或受试者的自感用力评分（RPE）≥18。
    8. 如果出现以下任何情况，请停止实验13：心绞痛或胸痛症状的出现；收缩压（SBP）下降 ≥ 10 mmHg 且伴随运动负荷增加；血压过度升高：SBP > 250 mmHg 和/或 DBP > 115 mmHg；呼吸急促、喘息、腿部痉挛或间歇性跛行；灌注不足的体征：头晕、意识模糊、恶心、发绀、皮肤湿冷或冰冷；心率未能随运动强度增加而上升；伴有症状的心律改变；受试者要求停止；受试者发声表达或观察到严重疲劳；测试设备运行异常。
    9. 达到力竭后，进入恢复阶段：将阻力降至初始负荷，并指导受试者继续骑行2分钟。
    10. 从患者处再抽取5 mL血液（运动后采血） 通过 肘前静脉穿刺
    11. 指导受试者在测试结束后3小时和24小时返回，进行额外的5 mL静脉采血。告知受试者在完成3小时采血前不得进行任何进一步的运动。rd 运动后24小时采血
      注意：本研究选择这些时间点是为了评估免疫细胞变化的时间进程。具体采样时间应根据研究关注的科学问题和目标参数来确定。
  3. 耐力稳态次最大功率自行车测试 — 第2次访视
    1. 完成步骤1的校准，3.1的ECG准备，3.2.1的自行车适配以及3.2.2的前额脉搏血氧仪安装。
    2. 向受试者说明运动试验流程。告知受试者他们将进行45分钟的自行车运动，但与最大运动试验不同，仅在试验的某些阶段要求其通过含鼻夹的咬嘴进行呼吸，而非全程持续使用。
      注意：与最大运动试验相同，将通过12导联心电图持续监测心率和心律。SpO₂2 将使用脉搏血氧仪持续监测。
    3. 从肘前静脉抽取5 mL静脉血样本（耐力次最大运动测试前基线血样），在测试开始前完成采血。
    4. 指导受试者用嘴含住咬嘴，并夹上鼻夹。
    5. 开始数据采集，然后启动运动方案。指导受试者开始踩踏，并要求其将踏频维持在每分钟60至80转之间。
      注意：本研究中的耐力稳态实验方案为45分钟，包含3–5分钟50 W的热身阶段。热身后，将功率增加至受试者在第1次访视中测得的最大负荷的60%。与第1次访视不同，本阶段的负荷保持恒定，且运动持续时间固定，而非持续增加负荷直至达到峰值摄氧量（peak VO₂）。2 达到。
    6. 测量血压（使用与之前相同的技师），并在运动过程中间歇性地（每3–5分钟）要求受试者报告用力程度。
    7. 指导受试者从10松开咬嘴th 分钟至25th 分钟，并从25重新握住吹嘴th 分钟到30th 分钟及45分钟运动的最后5分钟（40th 分钟至45th 分钟
      注意：仅当受试者使用咬嘴时，才对其进行间歇性气体交换指标监测；采用间歇性监测的原因是，长时间使用咬嘴会导致受试者口干和不适。由于此类运动测试的目标是让受试者达到预定的运动强度并维持稳态，因此除非气体交换是主要的结局指标，否则无需持续监测其气体交换。在本研究中，气体交换是作为刺激手段，而非关注的结局指标。
    8. 通过监测以下指标，确保测试处于稳态：
      1. 检查 VO2 当受试者重新使用咬嘴时，其值未发生显著变化（±5 mL/min/kg）。
      2. 检查受试者的心率（HR）增加是否不超过 5 bpm。
      3. 观察受试者是否出现疲劳，或其自觉用力程度（RPE）评分是否升高。
    9. 若出现上述任何情况，将工作负荷降低约5%–10%，以确保完成45分钟的骑行。
    10. 45分钟后，指导受试者进行2分钟轻松骑行的恢复期，随后采集5 mL静脉血（运动后采血）。
    11. 给予与第1次访视相同的运动后指导说明 即，应在运动后24小时时间点之后才开始运动，并于运动后3小时和24小时返回实验室进行采血。

4. 血液分析

  1. 处理血液样本以进行分析。
    注意：可能的方法包括但不限于循环白细胞的流式细胞术、血浆样本的细胞因子分析和/或白细胞基因表达分析。此外，最佳时间点可能需要通过实验确定。

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结果

进行最大强度或次最大强度耐力运动测试可提供一种刺激或应激，使机体产生反应以满足增加的生理需求。可采用多种运动方式，用于比较特定运动本身或联合药物/干预措施时的生理与生物学反应，或评估不同运动负荷之间反应的差异。最大强度与耐力运动负荷在持续时间（分别为短时和长时）和强度（分别为高和低）上有所不同，而运动模式（例如，骑行）保持恒定。在设计涉及运动测试的研究时，明确使用运动的目的以及期望获得何种类型的反应至关重要。表1列出了次最大强度耐力运动测试与最大强度运动测试之间的差异与相似之处，但研究人员还需充分认识到不同运动模式对所评估参数可能产生的影响。在最大强度运动测试中，随着负荷（自行车的阻力/功率或跑步机的速度和/或坡度）不断增加，运动需求或强度持续上升，心肺和代谢反应（心率、每搏输出量、通气量、耗氧量和二氧化碳生成量）也随之持续升高（图1A）。相比之下，在次最大强度耐力运动测试中，运动需求从静息状态开始增加，但达到一个固定的运动强度后保持不变。因此，心肺反应起初上升...

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讨论

将运动作为辅助或替代治疗手段具有巨大潜力。事实上，越来越多的证据强烈表明，身体活动有助于促进健康。若要将运动用作药物或诊断工具，则需要明确实现预期效果所需的适当运动量或"剂量"。应估算最佳运动剂量，因为过量运动可能不利于健康改善。因此，可能需要为每个人量身定制运动方案，以从运动中获得最佳益处。为此，必须理解并控制导致个体对运动产生不同反应的各种变量。因此，标准化的运动测试方法对于推动该领域的发展至关重要。

用于亚极量运动测试的运动强度标准化最佳方法仍存在争议。我们选择采用最大负荷量的60%作为标准，但也可使用VO₂峰值的百分比或其他基于心率或主观疲劳程度的指标进行强度校准。2最大心率（HRmax）或最大心率储备（HRRmax）常用于制定运动训练强度区间19最近，有其他方法被认为在研究中对运动强度进行标准化更为有效。其中一种是百分比差值（percentage delta）概念，即将运动强度设定为气体交换阈值与VO₂之间的差值的某一特定百分比。2最大值，并且已被证明在耐力次最大运...

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披露

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

致谢

本研究由梅奥诊所实验室医学与病理学系及其他多个内部来源资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
代谢车/便携式系统MCG DiagnosticsMobile Ultima CPX System流量校准注射器和校准气体应随系统提供。存在多种可能的选择/替代方案。
肺功能软件（Breeze Suite）MCG Diagnostics所使用的软件取决于具体的代谢系统
直立式功率自行车Lode ergoline960900存在多种可能的选择/替代方案
12导联心电图仪GE HealthcareCASE Exercise Testing System用于采集12导联心电图并控制功率自行车。在最大运动试验中，完整的12导联心电图有利于监测心律失常，但若仅需监测心率，可使用无线胸带式心率监测器作为替代
脉搏血氧仪MasimoMAS-9500通常有多种探头选择：手指、额头、耳垂。  通常避免使用手指探头，因为紧握车把可能导致测量不准确
pneumotach（preVent 流量传感器）MCG Diagnostics758100-003其他系统可使用涡轮式传感器
鼻夹（一次性）MCG Diagnostics536007-001 存在多种可能的选择/替代方案
带唾液收集装置的口器MCG Diagnostics758301-001建议在唾液收集装置中填充纸巾或纱布，并用胶带封住盖子以减少滴漏
头带Cardinal Health292866用于固定前额脉搏血氧仪以及连接代谢车的管线
听诊器 3M Littman3157SM存在多种可能的选择/替代方案
血压袖带HCSHCS9005-7袖带尺寸需根据拟测试人群确定
心电图电极片Cardinal HealthM2570仅在使用导联式心电图/心率监测时需要
K2EDTA 管 5 mLBecton Dickinson368661
*本表格列出了本实验方案中所使用的耗材和设备，并附有关于设备的说明。提供了品牌名称/公司信息，但使用其他品牌不会影响实验结果，关键是在同一项研究中保持设备的一致性。

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