朱琳 陳佩杰

1廣州體育學院運動與健康系（廣州 510075）

2上海體育學院省部共建教育部運動健身科技重點實驗室

3上海體育學院運動科學學院

體力活動是一種復雜行為，特別是兒童青少年的體力活動往往是零星和不規(guī)律的，難以精確測量。另一方面，體力活動水平與特定健康結(jié)果存在密切相關(guān)，精確估計身體活動可以了解劑量-效應之間的關(guān)系等[1，2]；可以評估慢性病的發(fā)展及預防干預對其產(chǎn)生的影響。例如，不同運動強度對身體產(chǎn)生不同效應，中低強度運動充分激活脂肪酶，增加脂肪消耗；中、高強度運動均能促進兒童心血管健康，但高強度體力活動對促進心血管健康更有利[3，4]。常用于體力活動測試的計步器和運動加速度計局限于很少的運動模式。心率是推算能耗的簡便方法，也是提高評估身體活動準確性的有效手段，但安靜心率個體差異較大，因此運動負荷心率在監(jiān)測運動強度中也存在潛在局限性[4-6]，在區(qū)分運動強度方面存在不足。心率變化率（HR%）是運動負荷心率與安靜心率的比值，可以排除個體間心率差異的影響，更準確反映相同運動量對機體產(chǎn)生的不同效應。此外，兒童青少年這一特殊群體，其體力活動的能量消耗（METs）會隨著年齡的變化而變化。因此，有學者提出，未來有關(guān)兒童青少年的研究應該更好地分開不同年齡組來進行，這需要研究的樣本量要足夠大到可以分開不同的年齡，或者將研究重點集中在一個有限的年齡區(qū)間[7]。本研究將研究的重點集中在初中這個年齡區(qū)間，運用受試者工作特征曲線（ROC）分析HR%對運動強度的區(qū)分能力和低、中、高運動強度對應的HR%最佳臨界點。不同運動強度的HR%最佳臨界點的研究，對于準確預測兒童青少年自由生活狀態(tài)下的體力活動水平，有效指導其健身運動，制定科學的體力活動指南及制定膳食指導都具有重要意義。

1 對象與方法

1.1 研究對象

招募66名年齡11～14歲（平均12.85±0.99歲）的健康中學生，其中男35人、女31人。所有受試者均無系統(tǒng)運動史，所有測試均在學生在校期內(nèi)完成。受試者基本情況見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 測試方案

正式測試前，測試者給受試者佩戴Cosmed K4b2氣體代謝分析儀、面罩、POLAR心率表胸帶的同時，戴好Actiheart儀器，并保持其記錄時間與K4b2氣體代謝分析儀同步。實驗包括兩部分測試，第一部分是自由狀態(tài)下的測試；第二部分是實驗室跑臺測試，詳見表2。

表1 受試者基本信息（）

表1 受試者基本信息（）

注：**P<0.01，性別間進行獨立樣本t檢驗。BMI：體重指數(shù)；REE：靜息能耗；RMR：靜息代謝率。

???? ???????n=35??n=31??n=66?????? 12.84–0.9912.87–0.9912.85–0.99???m? 1.62–0.10 1.57–0.06**1.60–0.08???kg? 55.6–11.0 48.9–9.1**52.5–10.7 BMI?kg/m2? 20.99–3.2219.84–2.8821.86–5.85 REE?kcal/min? 1.72–0.43 1.46–0.33**1.60–0.40 RMR?kcal/kg/min?0.031–0.0060.030–0.0070.031–0.007

表2 實驗活動安排

1.2.2 Cosmed K4b2便攜式氣體代謝分析儀

間接測熱法設計的間接能量測定儀是測定機體能量消耗的 “金標準”[8]，Cosmed K4b2（以下簡稱K4b2）（Cosmed，Rome，Italy）利用間接測熱原理，通過分析每一口呼出氣中氧和二氧化碳的含量，計算單位時間的能量消耗?，F(xiàn)已證實其可有效測量各種運動強度的耗氧量[9]。研究提取原始指標VO2（ml/min）。

1.2.3 單軸生理信號加速度傳感器（Actiheart）

Actiheart（Mini-Mitter Co.，USA）是一款整合了單軸加速度計和心率信號的新型生理信號加速度傳感器。它借助導線將一個主傳感器和一個輔傳感器相連，主傳感器通過電極片分別放置在V1和V2導聯(lián)之間的中部，輔傳感器通過另一電極片可以放在V4或V5的位置 （V1在胸骨右緣第四肋間，V2在胸骨左緣第四肋間，V4在左鎖骨中線第五肋間，V5在左腋前線第五肋間）。通過自帶數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)（Actiheart Software Version 4.0.23）導出數(shù)據(jù)，并采集原始指標心率（HR，beat/min）。

1.2.4 數(shù)據(jù)簡化方法

靜息耗氧量（ml/kg/min）選取測試第16～20分鐘數(shù)據(jù)[10]；廣播體操總耗氧量（ml/kg/min）選擇整個運動過程的數(shù)據(jù)；1分鐘盡力跳繩運動時，機體無法獲得充足的氧，只能在恢復期大量攝入氧補充運動中的氧虧，產(chǎn)生運動后過量氧耗，因此跳繩耗氧量（ml/kg/min）=（跳繩期平均耗氧量+恢復期平均耗氧量×恢復時間）/運動時間[11]；跑臺走、跑運動耗氧量（ml/kg/min）選取每級運動的后兩分鐘穩(wěn)態(tài)期的數(shù)據(jù)，第1～3分鐘作為平衡期。跳繩恢復時間及運動穩(wěn)態(tài)通過HR和VO2max確定，對于HR和VO2max的寬容度分別是±5%和±10%[7，10]。 不同運動的代謝當量（METs）[7，9，10]=運動耗氧量/靜息耗氧量；HR%=（運動心率-安靜心率）/安靜心率×100%。運動強度分類標準為：靜息能耗為1MET，小強度體力活動為1.5≤METs<3，中等強度體力活動為3≤METs<6，大強度體力活動為6≤METs<9，劇烈運動為METs≥9[7，9，10]。

1.2.5 受試者工作特征曲線

受試者工作特征曲線（receiver operating characteristic curve，簡稱ROC曲線）[12]的基本原理是通過判斷點 （cut-off point）的移動，獲得多對靈敏度（sensitivity）和誤判率[1-Specificity（特異度）]，并以靈敏度為縱軸，以誤判率為橫軸，連接各點繪制曲線，然后計算曲線下的面積，以確定判斷價值的方法。曲線下面積（area receiver operation characteristic curve，AUC）越大，則判斷價值越高。 AUC<0.5表示無法準確診斷；AUC在0.5～0.7表示診斷準確性較低；AUC在0.7～0.9之間表示診斷準確性為中等[13]。

1.2.6 統(tǒng)計學分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析均采用EXCEL2007和SPSS 16.0完成。兩組間比較采用獨立樣本t檢驗，設置P在0.05水平為差異有統(tǒng)計學意義。ROC曲線下面積用于診斷HR%區(qū)分運動強度的準確性；約登值=Sensitivity-（1-Specificity），其最大值用于確定不同運動強度對應的HR%最佳臨界點。

2 結(jié)果

2.1 各活動項目HR和HR%分析

從表3可知，相同活動女性心率高于男性，且從不同活動的總體變化趨勢看，除3 km/h（P>0.05）外，男女分別在4 km/h（P<0.05）、5 km/h（P<0.05）、6 km/h（P<0.001）、7 km/h（P<0.01）、8 km/h（P<0.01）速度的走跑運動中存在顯著性差異。女性廣播操（P>0.05）、1分鐘跳繩（P>0.05）和3～8 km/h速度走跑運動（P>0.05）的HR%均高于男性，但無顯著性差異。

表3 不同活動項目HR和HR%

2.2 不同運動強度HR%最佳臨界點

由表4、圖1～3可知，各運動強度心率變化率的ROC曲線下面積在小、中、大運動強度分別為0.733、0.784和0.892，均有顯著性差異（P<0.001），且95%置信區(qū)間均不包含0.5，說明心率變化率對于區(qū)分不同運動強度具有較高的診斷價值。通過最大約登值確定3METs、6METs和9METs對應的HR%的最佳臨界點分別為55%、97%和119%。

表4 不同運動強度對應的ROC曲線下面積和HR%的最佳臨界點

圖1 小強度運動心率變化率ROC曲線圖

圖2 中等強度運動心率變化率ROC曲線圖

圖3 大強度運動心率變化率ROC曲線圖

3 討論

3.1 心率和HR%特點

評價運動強度的傳統(tǒng)方法有%VO2max、%HRR（HRR即心率儲備，是最大心率與靜息心率的差值）和%HRmax（HRmax為最大心率，通常用220減去年齡獲得）。%VO2max是評價運動強度的最佳方法，但其測試較難，在日常評估中常用%HRR和%HRmax。有研究表明，測定同一運動強度時，%HRR總比%HRmax低10%～15%，存在一定的誤差[14]，這可能是因為個體間靜息心率差異較大。也有研究者對采用%VO2max和%HRmax等指標評價運動強度的準確性提出質(zhì)疑[15]，認為相同%VO2max和%HRmax對個體產(chǎn)生的強度效應可能不同。此外，相同%VO2max和%HRmax強度下，有人可能高于有氧代謝閾值，而有人可能低于無氧代謝閾值。

心率容易獲取，隨代謝負荷增加呈線性增加，也是評價運動強度的常用指標。崔玉鵬等[16]研究證實，對于運動強度波動變化的活動項目，心率對運動刺激敏感，能較準確反映身體對運動負荷的反應。李海燕等[17]運用氣體代謝分析儀MAX-Ⅱ?qū)?0名11～16歲肥胖青少年以2～8 km/h的速度進行的遞增負荷跑臺走跑運動測試（每級速度運動2.5分鐘），也證實負荷心率和耗氧量高度相關(guān)，男性相關(guān)系數(shù)為0.807（P<0.01）、女性為0.755（P<0.01）。 國外學者也證實，監(jiān)測心率可以評估自由活動狀態(tài)或非自由活動狀態(tài)下兒童的PAEE（physical activity energy expenditure）[18]。 也有大量研究表明，心率監(jiān)測有幾個重要的局限性。首先，心率與PAEE在低強度身體活動上相關(guān)性較低[5，6]。 其次，心率監(jiān)測并不適合年齡特別小的兒童。Rowlands等[6]研究顯示，年紀較小的兒童在不熟悉的環(huán)境下，在校準實驗中，特別是需要戴上呼吸面罩測量VO2時，可能產(chǎn)生不安情緒；兒童身體活動的偶發(fā)性及心率對于某些短時間大強度活動（如跳繩）反應的滯后性，也可能影響其對間歇活動的評估[18]。但心率監(jiān)測用于年紀較大的兒童和青春期人群，及那些經(jīng)常從事較多樣活動的人群特別適合，如經(jīng)常參加騎腳踏車或登山等活動的人群[18]。此外，心率還易受年齡、性別影響，心率間個體差異也較大。本研究顯示，相同運動項目男、女之間在4 km/h（P<0.05）、5 km/h（P<0.05）、6 km/h（P<0.001）、7 km/h（P<0.01）、8 km/h（P<0.01）速度的負荷心率均存在顯著性差異，而男、女之間不同運動項目的HR%無顯著性別差異（P>0.05）。加之本研究的受試者正值青春發(fā)育期，靜息心率個體間差異較大，可能對負荷心率變化產(chǎn)生較大影響，綜合兩方面的因素，HR%比心率能更客觀反映運動強度。

3.2 不同運動強度HR%最佳臨界點的有效性

ROC曲線分析已廣泛應用于臨床醫(yī)學、預防醫(yī)學和健身指導等領(lǐng)域。運用ROC曲線確定最佳臨界點，要求同時滿足AUC在0.70以上、特異度大于敏感度和約登值達到最大值三個條件，方能保證最佳臨界點有效[19，20]。 本研究的ROC曲線分析證實，不同運動強度下AUC在0.733～0.892（P<0.001），且95%CI不包括0.50，表明HR%對于區(qū)分不同運動強度具有較高的診斷價值。本研究顯示，對于11～14歲中學生，小、中、大運動強度對應的HR%最佳臨界點分別為55%、97%、119%。根據(jù)ROC曲線分析和最大約登值可知，小強度運動的HR%最佳臨界值為 <55%，3≤METs<6中等強度運動的HR%的最佳臨界值為55%≤HR%<97%，6≤METs<9大等強度運動的HR%的最佳臨界值為97%≤HR%<119%，METs≥ 9劇烈運動的HR%的最佳臨界值為≥119%。在對中學生日常體力活動的評估研究中，可將本實驗確定的不同運動強度的HR%最佳臨界值作為推算從事不同運動強度體力活動時間的重要依據(jù)。

4 總結(jié)

HR%可作為劃分運動強度的有效指標，HR%最佳臨界點是日常生活中確定不同運動強度的有效指標，小強度運動HR%<55%，3≤METs<6的中等強度運動55% ≤ HR%<97%，6≤ METs<9的大強度運動97%≤ HR%<119%，METs≥ 9的劇烈運動HR%≥119%。

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