脊髓损伤和健康人员三分钟全能臂曲柄运动试验实验方案

Medicine

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Summary

我们提出一个方案,测试上肢肌肉的有氧和无氧能力,持续时间为3分钟,身体健康,截瘫和四肢个体。该方案在具有或不具有残疾的个体中对其适用于上肢运动的具体修改。

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Flueck, J. L. Experimental Protocol of a Three-minute, All-out Arm Crank Exercise Test in Spinal-cord Injured and Able-bodied Individuals. J. Vis. Exp. (124), e55485, doi:10.3791/55485 (2017).

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Abstract

需要可靠的运动方案来测试精英运动员运动表现的变化。这些运动员的表现改善可能很小;因此,敏感工具是锻炼生理的基础。目前,有许多运动测试可以检测运动能力强壮的运动员,主要用于下肢或全身运动。有一种趋势是测试运动员在体育特定的环境中非常类似于参与者习惯执行的动作。只有少数协议测试参与者的短期,高强度运动能力,对身体有损害。大多数这些协议是非常体育专用的,不适用于广泛的运动员。一个众所周知的测试方案是30秒的Wingate测试,它在骑自行车和手臂曲柄运动测试中已经建立起来。该测试在30秒内分析高强度运动表现ñ。为了在更长的时间内监测运动表现,修改了适用于上身的不同方法。 3分钟,全面的手臂曲柄测力计测试允许运动员以特定的1500米轮椅赛跑(运动时间)的方式进行测试,以及上身锻炼,如划船或手动循环。为了在相同的测试条件下提高可靠性,重要的是精确地复制设置,例如电阻( 扭矩因子)和参与者的位置( 曲柄的高度,曲柄和曲柄之间的距离参与者和参与者的固定)。另一个重要的问题是运动测试的开始。需要固定每分钟的转数来标准运动测试开始时的测试条件。此运动协议显示准确操作重现相同测试条件和设置的重要性。

Introduction

有几项运动测试可准确地确定精英运动员在训练期间1,2,3,4,5的运动表现的增加。这些测试中的一个是在制动的自行车测力计3,4,5,6上可靠的3分钟全程运动测试。该测试用于确定临界功率,但也适用于运动员的运动测试,以及研究7,8,9 。由于该测试主要用于下肢性能,如在划艇7和骑自行车3,5 类似t需要用于上身运动的估计方案。主要使用上身的运动学科除了体育运动员或体力较弱的个体( 例如截肢或由于脊髓损伤引起的肢体损伤)之外,也可能是这样一种新的测试方案的受益者。因此,手臂曲柄测力计上的测试方案是一个很好的工具,可轻松测试来自不同体育学科的各种运动员的上身运动表现。

存在一个非常相似的30年代Wingate手臂曲柄测力计测试10,11帮助制定了一个3分钟,全面的手臂曲柄测力计测试。其持续时间与1500米轮椅比赛非常相似。因此,这种新的测试方案为3分钟,全功能臂曲柄测力计测试测试其重测信度12 。总体而言,thi的可靠性s测试协议非常好,因此它可能是上身运动测试领域的未来测试工具。然而,使用这种运动测试需要注意,特别是在测试患有脊髓损伤的个体时。因此,本实验文章的目的是展示一个详细的方案,不仅描述了测试设置和测试结果的分析,而且还显示了测试能力强的人员和脊髓损伤运动员之间的差异。

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Protocol

该研究得到当地伦理委员会(Ethikkommission Nordwest- und Zentralschweiz,Basel,Switzerland)的批准,并在开始研究之前获得了与会者的书面知情同意书。

测试准备和参与者指导

  1. 手臂曲柄测力计
    1. 在打开软件之前,打开旋转速度相关的手臂曲柄测力计的电源。
    2. 选择测试方案3分钟,全能测力计测试。
      1. 插入一个新的协议,120秒的预热,180秒的测试时间和720秒的冷却时间。选择此测试协议并打开一个新的参与表。
    3. 对于每次新的测试,事先确定参与者的身体质量。
    4. 对于身体健康和截瘫个体将相对扭矩因子设为0.2( 例如,对于100 kg参与者,相对扭矩因子为0.2,扭矩为20 Nm结果) 12
      1. 根据脊髓损伤的病变级别对四肢参与者应用较低的扭矩因子;需要两个或更多的熟悉试验来确定相关参与者的最佳相对扭矩因子。
      2. 以与第2部分所述相同的方式进行熟悉试验。如果在熟悉试验中打印数据后没有出现峰值,或者如果参与者在整个3分钟内无法起动,则进行第二次熟悉试验扭矩因数。每次试验之间至少两天内给予参加者休息。
  2. 运动测试设置
    1. 调整手臂曲柄的高度并记录下来在下一个测试会话中复制相同的测试设置。调整并记录手臂曲柄测力计与参与者之间的距离。
      1. 要确定高度,测量距离在地板和曲柄的固定之间。记录曲柄和参与者之间的距离,测量和记录墙壁和椅子固定之间的距离。将手臂曲柄轴调整到与肩关节水平的高度。
    2. 记录墙壁固定件和椅子之间的距离或者测力计与椅子固定件之间的距离。根据参加者是否健康,b)截瘫或c)四肢麻醉调整椅子设置。
      1. 如果参与者身体健壮,请让参与者坐在经销商提供的椅子上。
      2. 如果参与者截瘫,需要坐在自己的轮椅上,使用固定装置将轮椅固定在手臂曲柄测力计上。如果参与者不需要自己的轮椅,请让参与者坐在经销商提供的椅子上。
      3. 如果参与者是四肢的,将其上身固定在身上由经销商或自己轮椅提供的椅子,并可能将手固定在踏板上。要固定上身,请使用带有钩环紧固件的皮带。手腕固定时,请在四肢手术患者中使用腕带。
  3. 附加测量
    1. 在使用乳酸盐分析仪之前,确保乳酸盐系统溶液被重新填充。每六个月插一个新的芯片传感器。每天使用质量控制溶液(12 mM),每两周使用3 mM质控对照溶液。
      1. 每天早上将12 mM质量控制解决方案放入“STD 1”插槽。
      2. 为了进一步提高质量,将3 mM质量控制解决方案添加到间隙“1”和“2”中,并通过每两周按一次“开始”进行测量。测量值应该在2.96和3.10 mM之间。
    2. 确定之前和之前的全血乳酸浓度3分钟,全功能臂曲柄测力计测试,获得基线乳酸浓度。在使用10μL毛细管从耳垂抽取血液样品前,用消毒剂消毒耳垂。使用刺血针获得全血样本。
      1. 当毛细管充满血液时,将其放入溶血杯中。
        注意:这些杯子是可商购的,并预先用溶血溶液。摇动溶液直到血液完全混合,然后将其放入乳酸盐分析仪的托盘中。
      2. 在分析乳酸浓度前进行校准。将质量控制杯放入乳酸分析仪(参见步骤1.3.1.1。)。确保校准结果为12mM乳酸浓度;否则,更换芯片传感器。
      3. 将样品放入编号的插槽中,首先从“1”开始。
        注意:校准完成后,样品进行测量由芯片传感器系统自动完成。
    3. 要确定心率,请将心脏带放在参与者的胸部周围,并将心率监视器固定到手臂曲柄测力计上。按下显示器上的红色启动按钮开始测量。如果手表上没有显示心率,请用水润湿心率腰带,以确保良好的心率记录。
    4. 为了确定在加热期间和3分钟全过程测试期间的氧消耗,在测试前校准代谢车。在测试前立即运行自动音量和气体校准,然后放置面罩。
      1. 在软件中打开自动音量校准,然后按开始按钮。存储结果如果错误在屏幕上低于3%。
      2. 打开软件中的气体校准以及校准气体,并开始自动校准。
        注意:校准气体由5%CO 2组成 ,16%O 2和79%N 2 。在校准结束时,屏幕上显示8个绿色按钮,校准成功并可以存储结果。关闭气瓶,确保气体不泄漏。
      3. 确保参与者的实际身体质量插入到计算机程序中。在计算机上的搜索引擎选择参与者后,在软件中选择“自我测量”,然后按开始按钮开始测量室内空气浓度。
      4. 要运行此校准,请将传感器从肺活量计中取出,然后按开始按钮。计算机上显示“ok”时,校准完成。
      5. 同时,在校准期间,将氧气面罩放在参加者身上。
      6. 当室内空气浓度的测量结束并且程序准备好测量时,将传感器放回肺活量计。然后,将整个肺活量计放入腔内面具;该设备现在可以测量氧气消耗。
      7. 另外,在某处( 例如,用胶带在肩膀上)固定肺活量计的软管,使其在手臂曲柄运动期间不会干扰。

2.执行运动协议

  1. 暖身
    1. 开始预热前1分钟,开始测量休息时的氧气消耗量,当参与者坐在手臂曲柄测力计上,无需移动或说话。按软件程序中的开始按钮。
    2. 同时,按红色按钮开始测量心率。在预热期间以及测试期间和之后测量心率。
    3. 在测试开始之前,在20 W下进行2分钟的标准化预热。在暖身的最后30秒,保持节奏恒定在60转/分。倒数30秒的暖身的最后10秒。
    4. 3分钟全程运动测试
      1. 倒计时结束时,一定要通过喊“走”来给出明确的启动信号。给出启动信号后,允许参与者加速。
      2. 指导参与者在测试开始时尽可能加快手臂曲柄测力计的最大速度。在整个测试过程中尽可能保持速度。为了标准化的原因,不要鼓励参与者在测试期间。
      3. 每30秒提供一次持续时间的信息。在3分钟的时间内完成测试。
    5. 冷却和后分析
      1. 完成3分钟全部测试后,如果需要,测量乳酸浓度,然后在接下来的10分钟内每2分钟测量一次。重复使用与测试前使用的血液采样相同的穿刺部位。
      2. 完成这些3后,停止测量耗氧量最后按停止按钮。取下氧气面罩。通过按退出按钮并在软件要求进行数据存储时点击“是”,可以节省计算机上的耗氧量。
        注意:数据存储在软件程序中,可以很容易地转换成csv文件。
      3. 要导出数据,请按“导出”按钮将文件转换为csv文件供以后分析。所有血液样本从耳垂中抽出后,按心率监视器左侧的停止按钮,停止心率测量。

    3.结果数据分析与解释

    1. 性能参数
      1. 完成此性能测试后分析几个不同的参数。
        首先,保存测试并将其导出到电子表格。
      2. 计算平均功率(P mean =_upload / 55485 / 55485eq1.jpg“/> 方程超过3分钟,峰值功率和最小功率在这3分钟之间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0.2s的间隔测量。峰值功率最高,最小功率(P min )是最低单功率测量。
      3. 从峰值功率到最终功率(P [W] -Pmin [W])/(t min [s] -t [s])计算每秒功率衰减的疲劳指数。
      4. 通过加入每秒完成的工作(工作[J] =电阻[kg] *每分钟转数*飞轮距离[m] *时间[min])计算整个3分钟的总工作量。
      5. 计算从开始到峰值功率(时间到峰值功率= t 峰值 [s])的时间。此外,计算相对峰值(相对P peak = P / kg体重)和平均功率(相对P 平均值 = P 平均 / kg体重)除以参与者的身体质量的绝对值。
      6. 将3分钟全出测试划分为30段,以便在3分钟内检查起搏策略和疲劳。计算每30秒段的平均功率(P mean = 方程方程
    2. 其他测量
      1. 将所有血液样品放入血乳酸分析仪的编号槽中,并按“分析”自动运行测量。打印血乳酸浓度以供以后分析打开打印机。
      2. 使用制造商的红外线设备将心率测量传输到计算机。打开心率监视器的软件,并从心脏导入数据te监控软件。将数据存储在本地,如果需要,将其导出到电子表格以供以后分析( 例如,段分析) 13
      3. 在3分钟的开始位置和3分钟结束时设置一个标记,允许为此段自动计算平均值,最大和最小心率。
        注意:软件每隔5秒自动平均心率。
      4. 将耗氧量的数据导出到csv文件(步骤2.3),并在电子表格中打开它进行分析14 。计算休息时的平均耗氧量(VO 2_rest = 方程方程在3分钟内(VO 2_180s = 方程方程 ,以及高峰30秒段氧耗和耗氧量(VO 2_30s = 方程方程
        注意:氧气消耗的数据是经呼吸测量,然后在每段15秒的持续时间内自动平均。在3分钟运动试验中,峰值耗氧量是15秒间隔的最高值。
    3. 统计
      1. 使用Shapiro-Wilk测试,QQ图和Kolmogorov Smirnov测试来检查数据的正常分布。如果数据是正态分布的,则将其作为平均值和标准偏差(SD)。
      2. 使用类内相关系数(ICC; 3,1模型) 15分析测试重测信度。
      3. 使用测量的标准误差(SEM),系数计算绝对和相对可靠性变异(CV),最小实际差异(SRD)和ICC 16的 95%置信区间。
        注意:ICC应根据Munro分类17 :0.26至0.49进行解释反映低相关性; 0.50至0.69反映中度相关; 0.70〜0.89反映高度相关; 0.90〜1.0表示非常高的相关性。绝对可靠性应以SRD,CV和SEM表示,相对可靠性应为ICC 16,18的形式。
      4. 使用配对t检验分析两次测试之间的重大变化。为了显示两个测试会话数据集的一致性,请使用Bland-Altman 19个图。使用统计软件进行数据分析;整体统计显着性水平为0.05。

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Representative Results

在21名休闲训练(但不具体为上身训练),非吸烟个体(男9例,女12例,年龄34±11岁,体重69.6±11.1 kg,身高: 175.5±6.9厘米)。 表1显示了相对和绝对测试重新测试可靠性的结果12 。测试和重新测试之间的峰值功率如图 12所示图2 12给出了该测试重新测试的Bland Altman图。然后,将3分钟的全功能臂曲柄测力计测试用于17个健壮(年龄:38±7岁,高度:183±13厘米,体重:79±6公斤),截瘫患者10例7名四肢参与者( 表2 )。呈现代表身体健康和四肢参与者的个人数据n 图3 。健康参与者的峰值功率为483±94 W,而截瘫和四肢参与者的峰值功率分别为375±101 W和98±49 W。平均功率分别为172±20W,157±28W,40±14W,分别为健康,截瘫和四肢参与者。在健康和四肢参与者之间(p <0.001)以及截瘫和四肢参与者之间发现平均和峰值功率的显着差异(p <0.001)。健康参与者的乳酸浓度为8.9±2.4mM,截瘫患者为10​​.6±2.9mM,四肢参与者为4.0±0.8mM。在3分钟全程测试中,平均心率为155±9.2 bpm,健康体重为163±6.2 bpm,截瘫患者为113±15.9 bpm。再次,四肢参与者的心跳是重要的与截瘫患者相比(p <0.001)和健康参与者(p <0.001)明显降低。在3分钟全出测试中测得的耗氧量如图4所示

图1
图1:平均功率比较在两个3分钟全程运动测试在一个手臂曲柄测功计12实线表示最佳拟合,虚线表示身份线。 请点击此处查看此图的较大版本。

图2
图2:Bland-Altman图峰值功率12 SD =标准差。ve.com/files/ftp_upload/55485/55485fig2large.jpg“target =”_ blank“>请点击此处查看此图的较大版本。

图3
图3:身体健康和四肢参与者的3分钟全功能曲柄测力计测试的个人数据。左=身体健壮的参与者右=四肢参与者蓝线=功率输出;绿线=节奏请点击此处查看此图的较大版本。

图4
图4:健康参与者在3分钟全程臂式测力计测试中耗氧量。时间点零表示3分钟测试的开始。数据a作为口气测量的原始数据呈现。

ICC 95%CI SEM% SRD% 简历
峰值功率[W] 0.961 [0.907; 0.984] 2 5.6 6.66
平均功率[W] 0.984 [0.960; 0.993] 0.6 1.6 3.13
最小功率[W] 0.964 [0.914; 0.985] 1.4 4 6.05
时间到了 0.379 [-0.052; 0.691] 22.5 62.4 11.37
疲劳指数 0.940 [0.858; 0.975] 3.6 9.9 9.43
相对。峰值功率[W /公斤] 0.922 [0.818; 0.968] 2.8 7.8 6.45
相对。平均功率[W / kg] 0.950 [0.882; 0.979] 1.1 3.2 3.46
总工作量[J] 0.984 [0.960; 0.993] 0.6 1.6 3.13

表1:所有参数的测试重测信度12 ICC =班内相关系数; CI =可信区间; SEM =测量的标准误差; SRD =最小实数差; CV =变异系数;相对。 =相对。

截瘫参与者 损伤程度 AIS 年龄(y) 体重(kg) 身高(cm)
P01 TH12 一个 47 80 184
P02 TH10 一个 43 73 183
P03 TH11 一个 55 72 174
P04 L1 一个 26 64 150
P05 TH12 一个 22 63 185
P06 L1 一个 32 76 175
P07 TH11 一个 59 80 178
P08 L1 一个 35 63 165
P09 L4 一个 44 78 176
P10 L1 一个 48 80 185
意思 41 73 176
SD 12.1 6.8 10.4
四肢参与者 损伤程度 AIS 年龄(y) 身体质量(公斤) 身高(cm)
T01 C5 一个 24 85 188
T02 C7 一个 31 60 180
T03 C7 一个 40 60 168
T04 C7 一个 31 80 190
T05 C5 一个 43 80 176
T06 C6 一个 56 74 170
T07 C5 一个 65 75 190
41 73 180
SD 13.6 9.9 9.3

表2:截瘫和四肢参与者的人体测量数据。 AIS =美国脊髓损伤协会减损量表,Th =胸椎,L =腰椎,C =子宫颈,SD =标准偏差。

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Discussion

脊髓损伤运动员的运动测试对于追踪几个月或几年训练中的运动表现至关重要。只有几个运动测试存在,以检查手臂曲柄测力计的短期,高强度运动表现。该方法详细描述了已经检查其在骑自行车5和划艇7中的可靠性的运动测试可以应用于手臂曲柄测力计。为了收集可靠而有意义的成果,有两个因素非常重要:一是为参与者准备本次运动测试,二是进行标准化测试。因此,参与者被指示进入休息状态的实验室,这意味着在测试前两天没有进行强烈的训练。食物摄入量( 例如,测试前24小时富含碳水化合物的营养)和睡眠( 例如,在测试前两个晚上至少7小时的睡眠)也需要tak考虑到。此外,在执行第一次“真实”运动测试之前,应进行熟悉试验以确保参与者了解测试协议。第二个条件涉及测试协议的标准化,包括预热,测试开始和轮椅和手的固定策略(步骤1.2)。这些设置需要与同一个人保持相同的每个测试。此外,曲柄的高度可能会影响功率输出和耗氧量20 。另外,在练习21之后,手柄位置可能在临床上与肩部疼痛有关。此外,腹部结合可能影响呼吸功能和氧气运输22 ,但似乎增强了躯干的稳定性和运动性能23 。因此,最好记录调整和修改细节以重现e以下试验中的等价条件。

图1 2中的结果表明,这种3分钟的全功能曲柄试验在健全的参与者中是可靠的,可用于研究或运动测试12 。比较健康,截瘫和四肢的参与者,发现这三组之间的差异。健康和截瘫参与者对最大和平均功率显示非常相似的结果,而四肢参与者以显着较低的功率输出进行。比较截瘫患者30例30天的Wingate检查结果与四肢手术者10例相似。由于这些脊髓损伤参与者的不同病变水平,各种肌肉受到损伤的影响。因此,具有较高的病变水平( 例如,在四肢麻痹中呕吐物),较少活动的肌肉质量导致较低的功率输出( 表2 )。为了减少病变的变异性,仅包括在子宫颈5(C5)和7(C7)之间以及运动和感觉完全脊髓损伤的病变水平的个体代表四肢参与者。然而,即使在这些参与者之间,也可能发生高的个体间变异性。受伤低于C5的个体只有手臂中的肌肉(M)二头肌激活,而受伤低于C7的个体显示肱二头肌,伸肌桡侧肌和肱三头肌手臂肌肉的活动。因此,即使是非常狭窄的入选标准,如这里提到的,参与者组在肌肉功能方面非常不均匀。关于截瘫和健全的参与者,由于全身躯干的稳定性和不受影响的呼吸音聪明功能。虽然身体健康的参与者表现稍好一点,但我们的结果并没有显示这两组之间功率输出的显着差异。这可能是因为我们健康的研究参与者与截瘫患者相比训练较少。可能的是,即使具有较低的躯干稳定性和较低的呼吸功能,截瘫参与者更适应于手臂起搏,这可能补偿了其缺点。

尽管这个测试方案似乎在健壮的个体中是可靠的,但在四肢个体中,测试重新测试的可靠性可能会受到限制。四肢参与者的功率输出显示出非常高的个体间变异性,这可能由肌肉功能和功能的差异( 例如,主动肌肉依赖于病变水平)来解释。尽管如此,Jacobs,Johnson,Somarriba和Carter在较短的版本中表现出非常高的可靠性这个测试(30秒的Wingate测试)在四肢运动员10 。我们假设在更长的持续时间内( 在该协议中为 3分钟)的可靠性可能足够好但没有测试。缺乏对四肢麻痹患者进行测试重新测试的可靠性调查是一个限制。因此,在将这种测试方案用于一组患有瘫痪的个体之前,我们建议先检查协议的可靠性。该研究的另一个限制涉及到具有非常低的核心稳定性的参与者( 例如具有高病变水平的个体,例如四肢麻痹)的固定策略的标准化。要将它们固定在椅子上,必须将绑带绑在椅子和参与者身上。因此,可能难以记录带子的高度以及拉紧的程度。在未来的研究中,测试这种带的紧密度是否影响测试协议中的功率输出将是有益的。

然而,这项测试是测试来自不同运动学科的运动员参与上肢运动的好工具。另外,由于在测试开始时全面开放的起搏策略是预先定义的,因此不存在单独的起搏策略。

总而言之,这个测试似乎是在3分钟内测试运动表现的可靠工具,并且类似于短期,高强度运动表现。在应用于运动员或研究调查之前,需要进行熟悉试验,以尽量减少从测试1到测试2的学习效果。此外,需要进一步的研究来检查具有四肢麻痹症的参与者或运动员的测试重测信度。

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Disclosures

作者没有什么可以披露的。

Acknowledgments

我们非常感谢Martina Lienert和Fabienne Schaufelberger在运动测试期间的帮助,以及PD Claudio Perret博士的科学建议。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Angio V2 arm crank ergometer Lode BV, Groningen, NL N/A arm crank ergometer
Lode Ergometry Manager Software Lode BV, Groningen, NL N/A Software
10 µl end-to-end capillary EKF-diagnostics GmbH, Barleben, Germany 0209-0100-005 Capillaries
haemolysis cup EKF-diagnostics GmbH, Barleben, Germany 0209-0100-006 hemolysis cup
lactate analyzer Biosen C line, EKF-diagnostics GmbH 5213-0051-6200 lactate analyzer
Heart rate monitor, Polar 610i Polar, Kempele, Finland P610i heart rate monitor
metabolic cart, Oxygen Pro Jaeger GmbH N/A metabolic cart
oxygen mask, Hans Rudolph Hans Rudolph Inc. , USA 113814 oxygen mask
statistical software, PSAW Software SPSS Inc., Chicago USA N/A statistical software
desinfectant, Soft-Zellin Hartmann GmbH, Austria 999979 desinfectant
Quality control cup, EasyCon Norm EKF-diagnostics GmbH, Barleben, Germany 0201-005.012P6 quality control
Quality control cup 3mmol/L EKF-diagnostics GmbH, Barleben, Germany 5130-6152 control cup
Chip sensor lactate analyzer EKF-diagnostics GmbH, Barleben, Germany 5206-3029 chip sensor
Lactate system solution EKF-diagnostics GmbH, Barleben, Germany 0201-0002-025 lactate system solution
lancet, Mediware Blutlanzetten medilab 54041 lancet
Calibration gas,  Jaeger GmbH 36-MC G020 calibration gas
chair provided by distributor (ergoselect) ergoline GmbH, Germany N/A chair provided by distributor

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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