楊俊超 奧航 陳雨揚 李新元 許春艷 邱俊強

北京體育大學（北京100084）

1 前言

最大累積氧虧（maximal accumulated oxygen deficit，MAOD）是指在一次性超大強度運動中累積氧虧達到的最大值[1]，被公認為是評價無氧能力的金標準[2]。無氧能力是評價運動表現(xiàn)的重要指標，特別是對于短距離運動項目[3]。研究者對無氧能力的評定方法進行了廣泛的實證研究，除了MAOD，還有臨界功率（critical power，CP）和總效率（gross efficiency，GE）等指標被人熟知。

1988年，Medb?等[4]提出了測定MAOD 的原始方案，包括恒定負荷測試和超大強度測試兩個核心部分：（1）恒定負荷試驗，即在坡度為6°（10.5%）的跑臺上完成20次（35%～90%VO2max）、每次持續(xù)10 min的亞極限測試，以此建立攝氧量-輸出功率（VO2-PO）線性關系；（2）超大強度測試，即持續(xù)時間2～3 min 的恒定輸出功率全力測試。該方案同時還可以測定受試者的最大攝氧量和運動經濟性，但整體來說過程耗時且繁瑣。因此，在實際應用過程中，簡化或替代MAOD原始方案具有重要的研究意義。

當機體產生氧虧時由無氧代謝（無氧乳酸和無氧非乳酸）供能[5]，其中無氧乳酸部分可以利用運動中凈累積血乳酸計算（ELa）[6]。另外，根據Margaria 等[7]提出的氧債學說，無氧非乳酸部分可以通過運動后過量氧耗的快速部分計算（EPOCFAST）。已有研究證明，運動中凈累積血乳酸和運動后過量氧耗的快速部分相加（MAODALT）可以等同于MAOD[8]。但采用氧債法計算無氧非乳酸部分供能，意味著運動員在高強度運動結束后還要持續(xù)佩戴氣體代謝分析儀，例如6 min[9]或10 min[10]。同時，超大強度運動后，運動員繼續(xù)佩戴儀器可能引起極度不適，導致測試中斷。

因此，越簡單且可靠的MAOD 測試方法越能在實際運用過程中具有優(yōu)勢，特別是針對精英級的運動員。Henry等[11，12]在1956年發(fā)現(xiàn)運動開始階段的VO2同樣包含無氧非乳酸部分，且在高強度運動中VO2和肌肉磷酸肌酸濃度動力曲線的一致性在10%以內[13]。鑒于此，本研究在一次性超大強度中利用Medb?法計算的MAOD驗證凈累積血乳酸（ELa）和攝氧量動力曲線快速部分VO2（EPCr）計算的MAODALT是否可靠。

2 方法

2.1 研究對象

16 名400 米跑男性專項運動員，包括1 名健將、4名1級運動員和11名2級運動員（表1）。研究期間，所有受試者均只進行恢復性運動。受試者在實驗前由實驗負責人告知實驗流程、測試風險和測試要求等，并簽署知情同意書。本實驗得到了北京體育大學倫理審查委員會批準。

表1 受試者基本資料

2.2 實驗設計

所有受試者共進行5 次運動測試，包括遞增負荷測試、恒定負荷測試（5級：50%、60%、70%、80%和90%VO2max）和3 次超大強度測試（110%VO2max）。每兩次運動測試之間至少間隔48～72 小時。溫度20℃～24℃，并且測試至少在受試者餐后2小時進行。在測試前48小時內，要求受試者避免力竭運動和攝入酒精等[14]。

受試者身體成分采用數字化雙能量X 光檢測儀（iDxa，USA）測定。遞增負荷測試、恒定負荷測試和超大強度測試過程中的代謝氣體采用便攜式氣體代謝儀（MetaMax 3B，Cortex Biophysic，Leipzig，Germany）收集。測試前按照儀器使用要求進行氣壓、氣體（標準氣體濃度O2為15.00%，CO2為5.00%）和氣量（氣筒容積為3 L）校準。采集受試者遞增負荷測試結束后即刻，以及超大強度測試前和測試后1、4、7、10 min 的指尖血[15]，使用血乳酸分析儀（Biosen S-line lab ，EKF Diagnostic，Barleben，Germany）分析。

2.3 遞增負荷測試

受試者在實驗室內跑臺（H/p/cosmos，German）上進行測試，遞增負荷測試方案：受試者以10 km/h 開始，每2 min增加1 km/h，運動至力竭后停止[16]。遞增負荷測試過程中跑臺坡度設置為1%[17]，受試者佩戴便攜式氣體代謝分析儀。測試結果滿足以下2個及以上即可判斷為力竭[18，19]：最后兩級之間的VO2增加≤2.1 ml/kg/min，運動后血乳酸≥8.0 mmol/L，呼吸交換率≥1.10 或心率處于最大心率（220－年齡）的±10 beats/min之間。

2.4 恒定負荷測試

受試者到達實驗室，休息5 min 后，佩戴便攜式氣體代謝分析儀測定坐姿安靜VO2，時間持續(xù)10 min，取第6～10 min的VO2均值作為受試者靜息攝氧量。根據遞增負荷測試的最大攝氧量強度，受試者完成5 級恒定負荷測試（50%、60%、70%、80%和90%VO2max），每級持續(xù)10 min，跑臺坡度設置為1%[17]。每完成1 級負荷后，立即取下面罩，在1 min內完成指尖血采集。休息4 min 后，受試者戴上面罩，直到VO2恢復至與上級運動前VO2差值在3 ml/kg/min 以內，才令受試者進行下一級恒定負荷測試[20]。取每級負荷的8～10 minVO2的均值與其對應的負荷強度（速度）進行線性擬合。

2.5 超大強度測試

受試者進行3 次超大強度測試，即要求受試者以110%VO2max負荷，在坡度1%的跑臺上運動至力竭（≥2 min）[21]。其中第1 次超大強度為基礎測試（first test，F(xiàn)T），第2 次與第1 次超大強度測試的時間相同（second test，ST）），第3 次測試為時間不做限定的測試（third test，TT）。每2次測試之間相隔72小時，保證兩次測試的時間段一致。在每次測試前，以8 km/h 的速度熱身5 min后進行拉伸。采集受試者運動前和運動后1、4、7、10 min指尖血[15]。

2.6 MAOD計算

根據Medb?提出的測試方法，最大累積氧虧=理論攝氧量－實際攝氧量。其中理論攝氧量是由攝氧量－輸出功率（VO2-PO）預測方程推算而來，實際攝氧量則是受試者在超大強度運動中的實際VO2，采用便攜式氣體代謝分析儀分析。本研究采用“5+Y”方法擬合Y=aX+b方程（VO2-PO方程），其中a為回歸方程線的斜率，參數b即“Y”截距，代表安靜時受試者的VO2（圖1）。

僅通過一次超大強度測試計算最大累積氧虧（MAODALT），即MAODALT相當于磷酸原（EPCr，無氧非乳酸部分）和糖酵解（ELa，無氧乳酸部分）代謝的氧氣當量總和。糖酵解（ELa）代謝氧氣當量根據運動過程產生的乳酸進行換算，即無氧乳酸部分（ml/kg）=超大強度測試凈累積血乳酸×氧氣-乳酸換算系數，氧氣-乳酸換算系數為3.0 ml/kg/mmol·l[22]。EPCr等于運動中攝氧量快速部分的供能（VO2FAST），根據VO2動力模型計算（公式2[12]）。考慮到跑臺加速到既定速度需要10～20 s，因此更符合二階段模型（公式1[12]），即VO2動力學三階段模型中的第一階段不再參與計算。將FT、ST 和TT 測試中的breath×breath氣體代謝數據按秒導出[23]，同時為了增強非線性曲線的擬合度，令FT和ST的超大強度測試數據以開始運動時間作為起點對齊后平均，最終把FT、FT+ST和TT測試數據代入公式1進行擬合。

VO2（t）= VO2（b）+A1×（1-EXP-（t-TD1）/τ1）+A2×（1- EXP（-（t-TD2）/τ2））（公式1）

EPcr= A1·τ1（公式2）

其中，VO2（b）為安靜值，A為漸進幅度，τ為階段對應的時間常數。1和2代表的為運動中VO2快速和慢速部分，由于二階段模型（公式1）相比于三階段模型省去了攝氧量動力學模型第一階段，故TD1=0（圖1）。

圖1 本研究中A受試者攝氧量-速度擬合和超大強度攝氧量動力學擬合曲線圖

2.7 數據統(tǒng)計與分析

利用SPSS 21.0軟件對數據進行統(tǒng)計學處理，線性和非線性曲線采用GraphPad Prism 8進行擬合。統(tǒng)計結果以平均數±標準差（Mean ± SD）表示。采用Shapiro-Wilk檢驗數據是否為正態(tài)分布。采用配對樣本t檢驗判斷MAOD 與MAODALT的差異；單因素方差分析判斷FT、FT+ST和TT測試間攝氧量動力學曲線參數的差異，Bonferroni post hoc test 方法對3 次測試擬合的參數兩兩比較。此外，采用Bland-Altman 法評估MAOD與MAODALT之間的一致性。統(tǒng)計顯著性水平設置為0.05。

3 結果

遞增負荷測試結果顯示所有受試者均滿足力竭標準，VO2max為57.44 ± 2.79 ml/kg/min，對應的強度為16.44 ± 0.86 km/h（表2）。

表2 遞增負荷測試中各指標結果

本研究采用“5+Y”擬合攝氧量-速度線性相關方程，Y（靜息攝氧量）為5.60 ± 0.50 ml/kg/min，斜率為3.28 ± 0.19，R2為0.96 ± 0.03。

超大強度測試的攝氧量動力學模型各參數擬合結果顯示，F(xiàn)T、FT+ST 和TT 測試各參數擬合結果差異均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；但FT+ST的R2均大于FT和TT（P＜0.05）（表3）。

表3 攝氧量動力學模型各參數擬合結果

FT 測試的MAOD 為3.52 ± 1.04 L，MAODALT為2.90 ± 0.60 L，差異無統(tǒng)計學意義（P=0.065）；FT+ST測試的MAOD 為3.58 ± 0.95 L，MAODALT為3.08 ±0.67 L，差異無統(tǒng)計學意義（P=0.062）；TT 測試的MAOD 為3.26 ± 0.90 L，MAODALT為3.22 ± 0.77 L，差異無統(tǒng)計學意義（P=0.889）（圖2）。FT測試中的MAODALT無氧無乳酸占比為19.65% ± 11.32%，無氧乳酸占比80.35% ± 11.32%；FT+ST測試中的MAODALT無氧無乳酸占比為20.53% ± 8.43%，無氧乳酸占比79.47% ±8.43%；TT 測試中的MAODALT無氧無乳酸占比為17.89% ± 9.12%，無氧乳酸占比82.11% ± 9.12%。

Bland-Altman 法的一致性檢驗結果顯示，F(xiàn)T測試中MAOD與MAODALT差值的均值為0.62 L，95%一致性界限（95%LoA）的上限為3.04 L，下限為－1.82 L；FT+ST 測試中MAOD 與MAODALT差值的均值為0.49 L，95%一致性界限（95%LoA）的上限為2.40 L，下限為－1.42 L；TT測試中MAOD 與MAODALT差值 的 均值 為0.04 L，95%一致性界限（95%LoA）的上限為2.32 L，下限為－2.23L。本研究所觀察樣本均落在95%一致性界限范圍內，說明2種計算方法的一致性較好（圖2）。

圖2 FT、FT+ST和TT測試MAOD和MAODALT比較和Bland-Altman 散點圖

4 討論

本研究的研究對象為中等水平400 米跑運動員，各測試MAOD 和MAODALT值分別在3.26～3.58 L 和2.90～3.22 L 之間，而Weber 等[21]研究中無訓練男性超大強度（110%VO2max）模式下測量結果為3.01 ± 0.11 L。除受試者訓練水平不同造成與本研究測量結果差異外，也可能是由于其研究采用功率自行車，而本研究采用跑臺運動模式。另外，本研究測量結果低于訓練有素的自行車和鐵人三項運動員（4.18 ± 0.95 L）[24]，可能是由于本研究400米跑運動員專項特點或訓練水平不同所致。

如果從人體能量供應來源于三大供能系統(tǒng)的角度出發(fā)，MAODALT法可以稱之為磷酸肌酸-乳酸-氧氣法（phosphocreatine-lactate-oxygen，PCr-La-O2）[25]。需要明確的是無氧乳酸部分的能量供應計算本身存在局限性，即通過氧氣-乳酸換算系數是經驗預測，并不能精確地反映出糖酵解系統(tǒng)的真實供能[6]。本研究氧氣-乳酸換算系數的大小選擇3.0 ml/kg/mmol·l[26，27]，但Valenzuela等[28]選擇3.3 ml/kg/mmol·l進行計算的研究結果同樣表明MAOD和MAODALT可以相互替代，目前未見有研究在計算MAODALT時采用5.2 ml/kg/mmol·l[29]。本文采用了攝氧量動力曲線快速部分計算無氧非乳酸部分能量，結果顯示無氧非乳酸部分占MAODALT比例在17.89%～20.53%之間，這與Bertuzzi 等[8]測定的9名未經訓練的受試者結果相近（22%）。本研究根據Lamarra等[30]重復測量可減小呼吸波動的建議，即令第2次超大強度測試時間與第1次相同，并將兩次測試開始運動時間作為起點對齊后平均再進行擬合，結果也驗證了這種方法會增強攝氧量動力曲線的擬合度。另外，考慮到受試者多次完成超大強度測試的力竭時間極有可能不同，因此令受試者進行了第3次超大強度力竭測試，其結果顯示攝氧量動力學曲線各參數沒有顯著性變化。因此，若時間受限，僅進行一次超大強度測試即可。

目前的研究在對MAODALT方法進行可靠性驗證時，通常以Medb?法測量的MAOD 結果作為標準。本研究采用了“5+Y”法預測VO2-PO 方程，即測試5 級恒定負荷（每級負荷運動10 min），且固定Y截距（靜息攝氧量）以增加MAOD 測量結果的精確性。已有數據表明“4+Y”法可得到精確的MAOD 值[31]。有研究者采用“5+Y”法探究每級負荷持續(xù)運動時間對MAOD 的影響，其結果發(fā)現(xiàn)以4～6 min、6～8 min或8～10 min攝氧量推算的MAOD 無統(tǒng)計學差異[32]，但Green 等[33]的研究結果發(fā)現(xiàn)，持續(xù)時間≤6 min 會影響VO2-PO 線性關系，因此，本研究每級負荷的運動時間仍然持續(xù)10 min。本研究擬合VO2-PO方程的R2值為0.96 ± 0.03，低于已有研究數據[20，34]，但固定Y截距后使斜率的95%置信區(qū)間范圍減小；也有少數研究者認為95%置信區(qū)間范圍大小才是評價是否精確計算MAOD 的標準[35]。本研究受試者在超大強度測試中運動時間均大于2 min，滿足達到最大累積氧虧的時間條件[4]。Bertuzzi 等[8]研究測試了6 級負荷，沒有固定Y 截距，其結果顯示MAODALT可以估算最大累積氧虧。但即便如此，未來的研究在簡化MAOD原始方案時，應充分考慮其可靠性。

迄今為止，MAOD是應用最廣泛，也是無創(chuàng)評定無氧能力的最佳指標[2]。本研究僅通過一次超大強度運動來測定MAOD，省略了恒定負荷測試，能夠較大程度地節(jié)省測試時間，有利于大樣本測試和高水平運動隊的推廣。且可以將無氧非乳酸部分和乳酸部分的供能分別進行測量，這在實際應用過程中也具有重要意義，例如某些營養(yǎng)策略能提高受試者的最大累積氧虧[36]，則通過MAODALT法就可以更加具體地了解到無氧非乳酸部分和乳酸部分的改變比例。

但影響MAODALT法測試結果精度降低的因素較多，尤其體現(xiàn)在攝氧量測量和動力學曲線擬合以及乳酸測量方面，因此在測量過程中可參照以下注意事項：（1）嚴格按照便攜式氣體代謝分析儀的使用規(guī)范，使用前對氣壓、氣體和氣量行校準，告知受試者在測試過程中盡量保持呼吸平穩(wěn)，這樣可以較大程度地減少VO2異常數值；（2）在攝氧量動力曲線擬合過程中，在時間允許的情況下可進行相同時間的重測以增加擬合度，且采用兩位研究者“背靠背”的方法處理數據和判斷各參數初始值；（3）盡量增大運動后血乳酸采集密度，例如每隔30s采集1次[24]。

5 結論

本研究結果表明，在減少測試用時的情況下，MAODALT與MAOD 相比，可能也是一種可靠的方法，且能測量無氧非乳酸和乳酸部分的供能比例。未來需針對不同的運動模式以及納入更多樣本量做進一步研究。