一种用于游泳运动员心肺功能评估的快速递增式固定游泳最大强度测试方案

摘要

与自由游泳过程中的测量相比（该方法存在固有的挑战和局限性），通过采用一种更为可行且易于实施的系留式游泳递增负荷实验方案，并结合气体交换和通气数据的采集，可更有效地测定游泳运动员心肺功能的重要参数。

摘要

递增运动测试是评估耐力运动员心肺功能的标准方法。尽管最大摄氧速率通常作为此类评估的判定指标，但从功能性角度来看，反映运动强度增加时乳酸生成/消耗动态变化的两个代谢转折点对耐力运动员可能更具实际意义。运动经济性，即亚最大强度运动时单位做功能力下的摄氧速率，也是评估耐力运动员的重要参数。通过采用逐步但快速增加运动负荷直至达到运动耐受极限的斜坡式递增测试，可有效测定上述参数。这类测试通常在功率自行车或跑步机上进行，因其能够精确控制负荷递增量。然而，运动员应在与其专项运动方式一致的条件下接受测试。因此，游泳运动员通常需在自由游泳的递增测试中进行评估，但此类测试难以实现精确的负荷控制。我们近期提出，通过施加逐步增加的固定负荷进行静水阻力游泳（递增式固定游泳），可作为一种"游泳功率计"，提供足够的精确度，以实现逐步但快速的负荷递增模式，从而准确揭示前述的代谢转折点及运动经济性。然而，该测试方案中测得的峰值摄氧速率与自由游泳中测得的最大摄氧速率之间的接近程度仍有待确定。本文中，我们阐述如何应用这种快速递增的固定游泳测试方案来评估游泳运动员的心肺功能。具体而言，我们说明了如何通过该方案对一名短距离竞技游泳运动员进行评估，结果显示其在气体交换阈和呼吸补偿点时的摄氧速率分别为 30.3 和 34.8 mL∙min^-1∙kg^-1BM。

引言

一种从低强度逐步增加到最大强度的工作速率（WR）的运动试验（即递增运动试验；INC）是耐力运动员心肺功能评估的金标准方法。除了能够测定运动员所能达到的最高工作速率（WR_peak）外，如果在测试过程中同步采集气体交换和通气数据，则INC还可用于确定个体在此类运动中摄取氧气（O₂）的最高速率（V̇O_2peak）¹。V̇O_2peak是心肺适能的判定性指标。此外，在工作速率逐步增加的过程中，对所采集的气体交换和通气数据进行分析，可无创地识别出血乳酸浓度（血乳酸浓度）开始超过基线水平的临界点（乳酸阈值），以及血乳酸浓度开始加速积累的临界点（乳酸转折点）²。这些代谢转折点分别通过气体交换阈值（GET）和呼吸代偿点（RCP）进行估算³。值得注意的是，GET能够稳健地估计血乳酸浓度最初上升的临界点，而表征RCP的"过度通气"则是一个更为复杂的现象，其启动可能源于除化学感受本身之外的传入信号输入。因此，基于RCP识别所做出的结论应谨慎对待。

当运动以恒定功率（CWR）进行时，根据工作强度的不同，生理反应特征存在显著差异 "运动强度区间" 其中包含WR的范围^4,5特别是达到一个V̇O₂ 和血液[乳酸]浓度 "稳态" 在中等程度范围内迅速达到，在重度范围内延迟，在极重度范围内无法达到^4,5. 已有充分证据表明，O₂ 可在 INC 期间于 GET 消耗（V̇O_2GET）作为在CWR期间区分中等与高强度域的代谢率指标^3,6尽管存在争议，但近期一些观察结果表明，O₂ 可在RCP处消耗（V̇O_2RCP）以及重度/严重分离^7,8,9,10. 氧耗量（V̇O）的测定_2GET 和 V̇O_2RCP 因此，利用在INC期间收集的数据，可能有助于通过代谢率来为耐力运动员制定特定领域的训练方案，但需注意的是，将代谢率与特定功率相匹配的过程比仅根据V̇O₂来匹配更为复杂。₂- 增量试验得出的做功速率关系^8,11.

当测试以确定最大摄氧量（V̇O₂max）的概念_2max 最初被探索时，研究人员让受试者进行跑步机运动直至达到运动耐受极限（T_极限在不同日期以逐渐增加的速度¹研究随后证实了V̇O_2max 也可以通过与 T 进行的类似回合来确定_极限 同一天内进行，并穿插休息时段¹²最终证明，采用一种连续性方案，在特定时间间隔（例如每3分钟）逐步增加步行速度（WR），可获得相同的V̇O₂峰值_2峰 作为不连续试验¹³因此，这些 "递增负荷运动试验" 成为确定心肺适能这一标准判据的常规方法。然而，1981年，Whipp 及其同事发表的研究表明，就 V̇O_2max 测量，INC 也可以完全在非稳态下进行；即，随着 WR 持续增加 "时间的平滑函数" (RAMP-INC)¹⁴与每阶段延伸且相对较大的每级WR增加的INC不同，RAMP-INC过程中的逐步增加确保了 "等二氧化碳缓冲区" 将明确定义分离GET和RCP的界限¹⁵此外，与分阶段的INC类似，RAMP-INC也可用于评估 "运动经济性" （即 V̇O₂ 所需数量按给定的 WR 计算）；然而，与分阶段的 INC 不同，在本例中，是 倒置 的 "delta效率" （即 V̇O 的斜率）₂用于此目的的-WR关系¹¹ 考虑到V̇O₂测量因复杂性而存在诸多挑战₂ 在不同强度范围内的做功速率响应下，该参数本身并非增量负荷运动（INC）的不变特征（例如，从不同基础做功速率开始的RAMP-INC，或具有不同斜率的RAMP-INC），也非恒定负荷运动（CWR）的不变特征¹⁶.

在进行一般性体能测试时，递增负荷测试（INC）通常在下肢功率计或跑步机上进行，因为这些设备更为普及，且骑车和行走/跑步对普通人而言较为熟悉。此外，实施斜坡式递增负荷测试（RAMP-INC）需要能够以微小幅度持续增加负荷（例如每2秒增加1瓦），因此功率计（通常为下肢骑行）最适用于此类测试。然而，运动员的评估更为复杂，因为必须在运动员执行其专项运动模式时进行测试。对于自行车运动员以及参与跑步类运动的个体而言，上述测试设备具有良好的可及性和适用性，因此不存在问题。相反，在评估水上项目运动员时，要实现符合生态效度的气体交换与通气数据采集，并满足RAMP-INC所需的渐进式负荷递增，则更具挑战性。

在自动化采集系统出现之前，游泳者的气体交换评估通常采用最大强度游泳后的道格拉斯袋（Douglas-bag）采集法¹⁷。随着自动化系统的开发，实现了"实时"采集，但并非在"真实游泳"条件下进行（例如，游泳者在控制功率输出（WR）的循环水槽中游泳）¹⁷。遗憾的是，前一种方法由于依赖"反向外推"的假设而存在固有局限性，而后一种方法则引发了关于水槽游泳对技术动作改变程度的担忧¹⁷。目前最先进的方法是使用便携式逐次呼吸采集系统，在自由游泳过程中随游泳者沿泳池移动进行数据采集¹⁷。尽管此类测量方式提高了生态效度，但实现功率输出的渐进式递增仍具挑战性。事实上，自由游泳中的递增负荷（INC）通常包括以逐步增加的速度完成固定距离（如200米）的间歇阶段^14,15。这意味着测试由多个持续时间较长且功率输出增量大而不均等的阶段组成。因此，采用此类测试的研究人员通常仅报告一个代谢转折点（通常称为"无氧阈"）也就不足为奇了^18,19。相反，我们最近的研究表明，通过让游泳者在泳池中进行负荷逐步快速增加的原地游泳（即递增式固定游泳），可以从中获取的数据确定V̇O_2GET和V̇O_2RCP²⁰。尽管游泳过程中特有的呼吸模式可能使上述代谢转折点的识别较常规评估模式更为困难（个人观察），但我们认为该测试方法可作为一种"游泳功率计"，用于对游泳者进行心肺功能评估，其作用类似于静止自行车在骑行运动员评估中的应用。事实上，我们已证明，V̇O_2GET、V̇O_2RCP以及运动经济性（以V̇O₂-负荷斜率表示）均可通过下文所述的快速递增式固定游泳方案获得²⁰。

方案

以下展示的代表性受试者数据所来源的研究参与者（n = 11）²⁰，在实验流程、相关风险及可能获益被详细说明后，须在测试开始前签署书面知情同意书。第一次访问为适应性训练环节，期间向游泳者介绍固定式游泳的概念以及实际测试中将采用的测量技术。第二次访问进行一次全力固定式游泳测试，第三次访问则实施快速递增负荷的固定式游泳实验方案。两次测试均在半标准奥林匹克泳池（25 米）中进行，水温保持在 28 °C。

1. 游泳者的准备

1. 指导游泳者在每次测试前 24 小时内避免进行剧烈运动。
2. 指导游泳者在餐后至少 3 小时，以充分休息且完全水合的状态到达泳池。
3. 指导游泳者在每次测试前 24 小时内避免摄入含兴奋剂的饮料和酒精。

2. 全力束缚游泳试验

1. 准备一个500 kg的测力传感器，用于测量游泳者在两次试验中全力游泳30秒期间所能施加的最大力量²¹。
   1. 在计算机上打开N2000PRO软件（Power Din Pro - CEFISE）程序。
   2. 打开帮助菜单，以确认计算机与测力传感器分析仪之间的通信连接。
      1. 观察到绿色信号，表明与RS232接口的连接已正确建立。
      2. 根据实际情况设置倒计时以启动测试。
      3. 设置采样持续时间、休息间隔，并将每秒帧数设为100 Hz。
      4. 根据个人偏好将力的测量单位设置为N或kg，并设置毫秒级的数据采集时间。
   3. 在游泳者离开泳池的情况下，使用0 kg和10 kg的负载对测力传感器进行校准²²。
   4. 通过CEFISE专为固定式游泳测量设计的L形扁铁杆，将测力传感器连接至出发台。
   5. 将一根不可伸缩绳索的一端连接到测力传感器，另一端通过定制设计的腰带（CEFISE）连接到游泳者身上，该腰带在两侧髋部均附有绳索，以确保打腿动作不会干扰力量测量。
2. 准备游泳者进行两次试验测试。
   1. 向游泳者说明全力自由泳的正确动作要领（例如：尽可能快速游泳时避免头部和躯干抬高，同时专注于以最大频率打腿和划水等）。
   2. 指导游泳者在池边进行拉伸及上下肢摆动热身准备。
   3. 指导游泳者进入泳池，执行标准热身程序，包括以低强度完成800米自由泳，注意避免产生可能影响测试结果的残留效应。
   4. 允许游泳者离开泳池并在池边休息10分钟。
   5. 将腰带固定在游泳者的腰部，并将不可伸缩绳索的自由端连接至腰带。
   6. 确定维持游泳者身体水平所需的负载，使测量系统上的张力最小（基础负载，load_base）。
   7. 示意游泳者开始试验#1。
3. 在测试过程中监控游泳者表现。
   1. 在整个30秒测试期间，给予游泳者口头鼓励。
   2. 示意游泳者结束测试，并将其从不可伸缩绳索上解除连接。
   3. 指导游泳者执行标准的冷身程序，包括以低强度进行自由泳。
   4. 允许游泳者在池边休息30分钟。
   5. 重新将游泳者连接至不可伸缩绳索。
   6. 示意游泳者开始试验#2，该试验与试验#1完全相同（30秒全力游泳）。
   7. 示意游泳者结束测试。
   8. 指导游泳者执行标准的冷身程序，包括以低强度进行自由泳。
   9. 允许游泳者离开泳池。
4. 分析两次试验中收集的数据。
   1. 使用N2000PRO软件包对数据进行平滑处理²³。
   2. 计算力-时间正弦曲线（范围：正弦80°–100°）中超过基础负载（load_base）的波频信号峰值，分别对应试验#1和试验#2。
   3. 将力-时间波频信号在前5秒和整个30秒内的平均峰值分别定义为每次试验的峰值力（F_peak）和平均力（F_avg）。
   4. 在后续计算中采用F_peak和F_avg中的较高值。

3. 递增式固定游泳测试

1. 计算在递增负荷测试中用于抵抗游泳者向前位移的负荷。
   1. 将起始负荷计算为 F 的 30%_平均值 高于载荷_基底.
   2. 计算每个60秒阶段应施加的增量，为F的5%_平均值 上样_基部.
2. 准备自动便携式代谢仪以进行数据采集。
   1. 打开设备的软件。
   2. 验证计算机与便携式自动代谢仪之间的通信连接。
   3. 打开设备电源，预热45分钟。确保电池已充满电。
   4. 进行环境空气单元的校准²⁴.
   5. 对参考O单元进行校准₂ (16%)，CO₂ (5%) 和 N（余量）浓度²⁴.
   6. 执行掩模时间延迟校准²⁴.
   7. 使用3 L注射器对涡轮机进行校准²⁴.
   8. 输入受试者数据、环境温度和湿度。
3. 为受试者做好递增负荷测试的准备。
   1. 为游泳者佩戴面罩和通气管。
   2. 指导游泳者在池边休息10分钟以进行数据采集 "基线" 气体交换与通气数据。
   3. 指导游泳者进入泳池，进行由低强度自由泳组成的常规热身方案。
   4. 将一条腰带固定在游泳者的腰部，用一根无弹性绳索连接腰带，绳索的另一端连接至加载系统。
   5. 指导游泳者在测试开始后，利用泳池底部的两个标记作为参考点，以保持相对固定的位置（例如，距离目标位置±1 m范围内）。
   6. 示意游泳者开始测试。
4. 在进行递增负荷测试时，需全程监测游泳者的状态。
   注意：应由一名在监测此类测试方面经验丰富的研究助理在泳池边手持气体分析仪，注意在操作时不得妨碍游泳者的位移和/或抬高游泳者的头部。
   1. 在计时60秒阶段的同时增加负荷。
   2. 当受试者尽管受到测试人员的强烈口头鼓励，仍无法维持规定姿势时，终止测试并记录达到运动耐受极限的时间。
   3. 利用运动耐受时间的限制来计算完成的阶段数。
   4. 记录各阶段的载荷及峰值载荷。
   5. 将游泳者从无弹性绳索上解开。
   6. 指导游泳者进行标准的放松活动，包括以低至中等强度进行自由泳。
   7. 让游泳者离开泳池。
5. 分析增量测试期间收集的数据。
   1. 使用该设备的软件程序采集测试前和测试期间的逐拍平滑气体交换数据。
   2. 以连续9秒为区间，导出气体交换数据的平均值。
   3. 对 V̇O 连续 9 秒箱平均值进行三点滑动平均处理₂.
   4. 记录最高的三点滑动平均值作为V̇O_2峰.
   5. 使用每个完成阶段的最终三点滚动平均值，计算 V̇O₂₂-负荷关系通过线性回归分析。若测试末期数据出现 V̇O₂ 下降，则应排除这些数据。₂ 平台期似乎存在（目视检查）。
   6. 使用连续的9秒平均值，确定V̇O_2GET.
      1. 确定 CO 释放速率首次出现不成比例增加的时刻₂ 产生（V̇CO₂) 与 V̇O 相比₂.
      2. 确定呼出通气率（V̇）比值的增加_E) 至 V̇O₂ 且V̇比值未增加_E 至 V̇CO₂.
      3. 测定呼气末 O₂ 的增加量₂ 无呼气末二氧化碳下降的张力₂ 张力
   7. 使用连续的9秒时间窗平均值，确定V̇O_2RCP.
      1. 确定 V̇ 的首次不成比例增加_E 与V̇CO相比₂.
      2. 测定呼气末 CO₂ 的下降程度₂.
   8. 表达 V̇O_2峰，V̇O_2GET，V̇O_2RCP 和 V̇O₂- 在绝对值（L∙min）和斜率方面^-1）以及相对于体重（mL∙min⁻¹∙kg⁻¹）^-1∙kg^-1）术语。
   9. 表达 V̇O_2GET 和 V̇O_2RCP 以 V̇O 的百分比表示的相对值_2峰.

结果

所提供的数据 表1 并如图所示 图1-4 代表一名男性游泳运动员（年龄24岁）的反应特征。在数据采集时，该运动员已接受竞技游泳训练7年，专长为短距离（即50米和100米）自由泳项目。

初始施加在INC上的负荷设定为超出该游泳者在全力游泳开始前维持身体对齐所需负荷（F_base）的值，超出部分为全力游泳期间测得的平均力与F_base之间差值（ΔF）的30%。对于该游泳者，该负荷为4.17 kg。此后，每60秒阶段增加0.7 kg负荷（图1）。该游泳者的运动耐受极限出现在576秒（第10阶段）。

当逐次呼吸的 V̇O₂ 在INC的基线期和运动阶段采集...

讨论

一项运动负荷试验，包括持续承受递增的功率（WR）直至达到终止（T）_极限 达到时的测试是评估耐力运动员的标准测试方案。当此类测试以逐步但快速递增的方式进行时，尤其具有应用价值，因为除了V̇O_2max，测试期间收集的气体交换和通气数据可用于区分由GET与RCP所界定的区域，该区域内存在酸中毒，但动脉二氧化碳分压₂ (PaCO₂)₂) 保持培养^14,15. 作为下限的代谢率^3,6 和上部^7,8,9,10 该区域的边界近似于恒定负荷运动期间划分高强度域的界限。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3升注射器	Hans Rudolph		校准装置
Aquatrainer	COSMED		面罩系统/气体交换测量
K4b2	COSMED		便携式心肺运动试验仪/气体交换测量
N200PRO	Cefise		力信号分析软件程序
Pacer 2 Swim	Kulzer TEC		游泳速度管理/水下LED指示线
固定系统	自主设计		滑轮-绳索系统/负荷管理
固定连接件	CEFISE		连接至游泳者的支架