孫斌 邱俊強(qiáng) 衣龍燕 王晶晶

北京體育大學(xué)（北京 100084）

不同急性低氧環(huán)境攝氧量峰值下降與峰值負(fù)荷時(shí)肺通氣量、血氧飽和度、心率的關(guān)系

孫斌 邱俊強(qiáng) 衣龍燕 王晶晶

北京體育大學(xué)（北京 100084）

目的：探究不同急性海拔高度環(huán)境中，攝氧量峰值（VO2peak）的下降與峰值負(fù)荷時(shí)的肺通氣量（VEpeak）、血氧飽和度（SpO2）、心率（HRpeak）的關(guān)系。方法：選取12名普通健康男性大學(xué)生。分別在平原，模擬海拔高度2500 m、4500 m的環(huán)境中進(jìn)行功率車遞增負(fù)荷測試（負(fù)荷方案：50 W起，每3分鐘增加20 W、轉(zhuǎn)速60 r/min），每兩次測試間隔為14天。每次實(shí)驗(yàn)中，測量記錄遞增負(fù)荷運(yùn)動后即刻的VO2peak、VE?peak、HRpeak、SpO2指標(biāo)。結(jié)果：（1）4500 m時(shí)的VO2peak顯著低于2500 m（P＜0.05）和平原值（P＜0.01），2500m時(shí)的VO2peak顯著低于平原值（P＜0.05）；（2）4500 m時(shí)的VEpeak顯著高于平原（P＜0.05）和2500 m（P＜0.05）時(shí)的值；（3）2500 m的HRpeak顯著低于平原值（P＜0.01），4500 m時(shí)的HRpeak顯著低于平原值（P＜0.01）和2500 m值（P＜0.01），HRpeak隨著海拔高度的升高而顯著降低。（4）峰值負(fù)荷時(shí)的SpO2在2500 m極顯著低于平原值（P＜0.01），4500 m值極顯著低于2500 m（P＜0.01）值和平原（P＜0.01）值。峰值負(fù)荷時(shí)的SpO2隨著海拔高度的升高而顯著降低。結(jié)論：（1）在不同急性低氧環(huán)境中，VEpeak可能是影響VO2peak下降的重要因素，尤其是在4500 m時(shí)影響更為明顯。（2）在不同急性低氧環(huán)境中，HRpeak可能是影響VO2peak下降的重要因素，且隨著海拔高度的升高，HRpeak顯著降低。（3）在不同急性低氧環(huán)境中，峰值負(fù)荷時(shí)的SpO2可能是影響VO2peak下降的重要因素，且隨海拔高度的升高而顯著降低。

VO2peak；VEpeak；SpO2；HRpeak；急性低氧

攝氧量峰值（peak oxygen uptake，VO2peak）是用來描述某些特定環(huán)境和條件下測得的攝氧量的最大值。本研究探究急性低氧特殊環(huán)境中攝氧量最大值的變化，有關(guān)攝氧量最大值的表述均以VO2peak表示。

隨著海拔高度的升高，空氣中的氧濃度會逐漸下降，最大攝氧量（VO2max）也會逐漸降低，尤其是初入低氧環(huán)境時(shí)。作為教練員制定訓(xùn)練計(jì)劃的重要依據(jù)，VO2max的下降嚴(yán)重影響著低氧訓(xùn)練的效果。影響最大攝氧量的因素有很多，從生理學(xué)的角度分析，其主要決定于氧轉(zhuǎn)運(yùn)能力和肌組織利用氧的能力。在運(yùn)動過程中，氧氣攝入并被骨骼肌利用的過程是先由機(jī)體從外界吸入含有氧氣的氣體，再通過肺臟將富含氧氣的血液經(jīng)血管運(yùn)送至全身，最后再由運(yùn)動骨骼肌中的線粒體消耗利用氧產(chǎn)生能量[1]。由此可知，肌組織利用氧的能力在一定程度上也是受到心肺功能影響的。

本研究從反映心肺功能的指標(biāo)中，選取肺通氣量（VE）、心率（HR）以及血氧飽和度（SpO2）3個(gè)指標(biāo)，通過分析在不同急性低氧環(huán)境中，峰值負(fù)荷時(shí)，這3個(gè)指標(biāo)與VO2peak變化的關(guān)系，從而探討在急性低氧暴露時(shí)VO2peak下降在心肺環(huán)節(jié)的影響因素。

1 對象與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

北京體育大學(xué)教育與訓(xùn)練專業(yè)的大學(xué)生12名，受試者均為平原居民，年齡21±0.95歲，身高176.94± 5.87 cm，體重68.71±5.64 kg。實(shí)驗(yàn)前6個(gè)月內(nèi)均未到過高原或者模擬高原環(huán)境中。受試者均無呼吸道系統(tǒng)疾病，也未有過任何心肺功能疾病病史，所有受試者實(shí)驗(yàn)前均被告知實(shí)驗(yàn)的流程和測試所需指標(biāo)，簽署知情同意書。

1.2 運(yùn)動測試方案

實(shí)驗(yàn)期，受試者分別在平原、模擬海拔高度2500 m、模擬海拔高度4500 m的常壓低氧環(huán)境中完成遞增負(fù)荷蹬功率自行車測試。受試者以隨機(jī)順序進(jìn)行平原、模擬海拔高度2500 m、模擬海拔高度4500 m三次測試，每兩次測試之間間隔14天。蹬車測試時(shí)，受試者統(tǒng)一進(jìn)餐，1小時(shí)后實(shí)驗(yàn)開始，進(jìn)入測試環(huán)境后靜坐45分鐘，然后由實(shí)驗(yàn)人員完成心率帶、血氧飽和度儀、呼吸面罩佩戴，進(jìn)行測試。測試開始，先進(jìn)行功率自行車熱身3分鐘（功率負(fù)荷為30 W，保持轉(zhuǎn)速60 r/min），熱身結(jié)束休息2分鐘，接著進(jìn)行遞增負(fù)荷測試。測試方案：起始負(fù)荷為50 W，保持轉(zhuǎn)速在60 r/min，此后每3 min增加20 W，直到受試者無法堅(jiān)持，在實(shí)驗(yàn)過程中鼓勵受試者盡力堅(jiān)持。遞增負(fù)荷測試結(jié)束即刻測得峰值負(fù)荷時(shí)的VE、HR、SpO2指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)室溫度20～25℃，相對濕度45%～60%。

模擬低氧方法：實(shí)驗(yàn)使用北京體育大學(xué)科研中心低氧訓(xùn)練室，利用氮?dú)庀♂尫ǖ牡脱醢l(fā)生系統(tǒng)（德國Low Oxygen公司產(chǎn)），將訓(xùn)練室氧氣濃度設(shè)置為模擬海拔高度2500 m和4500 m時(shí)的濃度值。

VO2peak、VE測試：使用美國產(chǎn)MAX-I全自動氣體代謝分析系統(tǒng)分別記錄三個(gè)模擬度下受試者遞增負(fù)荷測試過程中指標(biāo)的變化。每位受試者開始測試前都使用已校準(zhǔn)的氣體代謝儀測量周圍空氣中的02和CO2的濃度。心率使用芬蘭產(chǎn)Polar 800cx心率表進(jìn)行采集。SpO2使用美國產(chǎn)Nonin 3100脈搏血氧飽和度測試儀記錄。

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

本研究中所有的數(shù)據(jù)均使用SPSS13.0軟件統(tǒng)計(jì)處理。數(shù)據(jù)均采用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）來表示。使用重復(fù)測量方差分析比較三個(gè)海拔高度下指標(biāo)各均數(shù)間的變化。P＜0.05為顯著性差異，P＜0.01為極顯著性差異。

2 結(jié)果

2.1 模擬不同急性低氧環(huán)境中攝氧量峰值（VO2peak）的變化

隨著海拔高度的升高，VO2peak顯著性降低。受試者在模擬4500 m海拔高度的急性低氧環(huán)境中所測得的攝氧量峰值要顯著低于在模擬2500 m（P＜0.05）和平原（P＜0.01）環(huán)境下所測攝氧量峰值。模擬2500 m低氧環(huán)境所測VO2peak也要顯著低于平原值（P＜0.05）。見表1。

2.2 模擬不同急性低氧環(huán)境中峰值負(fù)荷時(shí)肺通氣量（VEpeak）的變化

模擬海拔高度在2500 m時(shí)，VEpeak相較于平原雖有增高但沒有發(fā)生顯著性變化，當(dāng)海拔高度升高至4500 m時(shí)，VEpeak顯著高于平原和2500 m時(shí)的值（P＜0.05，P＜0.05）。見表2。

表1 不同急性低氧暴露下的VO2peak比較

表2 不同急性低氧暴露下峰值負(fù)荷時(shí)的VEpeak比較

2.3 模擬不同急性低氧環(huán)境中峰值負(fù)荷時(shí)血氧飽和度（SpO2）的變化

峰值負(fù)荷時(shí)的SpO2隨海拔高度的升高而顯著性降低。在4500 m時(shí)，SpO2要極顯著低于2500 m和平原值（P＜0.01，P＜0.01）；2500 m時(shí)，所測SpO2也要極顯著低于平原時(shí)所測值（P＜0.01）。見表3。

表3 不同急性低氧暴露下峰值負(fù)荷時(shí)的SpO2比較

2.4 模擬不同急性低氧環(huán)境中峰值負(fù)荷時(shí)心率（HRpeak）的變化

在模擬海拔高度2500 m時(shí)所測峰值負(fù)荷時(shí)的心率較平原有極顯著的升高（P＜0.01）；在4500 m的環(huán)境中所測峰值負(fù)荷時(shí)的心率較平原值和2500 m值也都有極限顯著的升高（P＜0.01，P＜0.01）。見表4。

表4 不同急性低氧暴露下峰值負(fù)荷時(shí)的心率比較

3 討論

3.1 不同急性低氧暴露下VEpeak與VO2peak變化的關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)，受試者在常氧、2500 m、4500 m環(huán)境中進(jìn)行遞增負(fù)荷運(yùn)動，出現(xiàn)攝氧量峰值時(shí)的肺通氣量出現(xiàn)了顯著性變化。隨著海拔高度的升高，峰值負(fù)荷時(shí)的肺通氣量上升，尤其是在4500 m時(shí)，由于缺氧程度的加深，肺通氣量顯著高于平原（P＜0.05）和2500 m （P＜0.05）。在前人的研究中也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果，如Koislinen[2]在其研究中就發(fā)現(xiàn)，最大肺通氣在低氧情況下較常氧會有顯著性升高，從平原時(shí)的149±25 L/ min上升至3000 m時(shí)的154±28.8 L/min。本研究結(jié)果顯示，VEpeak在平原時(shí)為105.69±13.04 L/min，當(dāng)海拔升至4500 m時(shí)VEpeak為117.2±15.65 L/min，明顯升高。造成4500 m時(shí)VEpeak顯著升高的原因，可能是由于在低氧環(huán)境中，機(jī)體的頸動脈體和主動脈體的化學(xué)感受器受到缺氧的刺激[3]，緊急動員交感-腎上腺髓質(zhì)系統(tǒng)功能[1]，從而加強(qiáng)呼吸功能，呼吸加深加快，從而使峰值負(fù)荷時(shí)的肺通氣量顯著性上升。

本研究還發(fā)現(xiàn)，海拔2500 m與平原的VEpeak沒有發(fā)生顯著性差異，這與Mollard的研究相似，他在研究中也發(fā)現(xiàn)沒有訓(xùn)練經(jīng)歷的人在平原、1000 m、2500 m的海拔環(huán)境中所測VEpeak并沒有顯著性差異[4]。較低海拔環(huán)境下（2500 m）的VEpeak沒有發(fā)生顯著性變化可能是由于此海拔的缺氧程度不深，機(jī)體還暫不需要以提升通氣量來增加氧氣的攝入。

本研究中，在不同的海拔高度下VO2peak出現(xiàn)時(shí)所對應(yīng)的VE是隨海拔高度的升高而增高的，尤其是在4500m時(shí)，增長更加明顯。VEpeak的增長是機(jī)體為獲取更多氧氣而產(chǎn)生的一種應(yīng)急反應(yīng)，但在本研究結(jié)果中VO2peak并未獲得增長，反而是隨海拔高度的升高而顯著性降低，這可能是由于缺氧刺激引起的呼吸頻率的加快和深度的加深，雖然使肺通氣量有所增長，但隨著海拔的增高，缺氧程度加深（4500 m），肺通氣量顯著增加的同時(shí)也使呼吸肌消耗了更多的氧。并且峰值負(fù)荷時(shí)的肺通氣量增加，導(dǎo)致使肺換氣不足，新鮮的氧氣并沒有多少被機(jī)體所吸收。從而導(dǎo)致VO2peak顯著性降低。所以VEpeak可能是造成急性低氧環(huán)境中VO2peak下降的重要影響因素。

3.2 不同急性低氧暴露下HRpeak與VO2peak變化的關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)，在不同急性低氧環(huán)境中峰值負(fù)荷時(shí)的心率隨海拔高度的升高而顯著性下降。在2500 m時(shí)，HRpeak較平原下降了9±5.25（beat/min），當(dāng)海拔升至4500 m時(shí)，HRpeak相較于平原下降了12.27±5.14 （beat/min），海拔越高，HRpeak下降越多。在前人的研究中，也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果，如Calbet[5]的研究發(fā)現(xiàn)在低氧環(huán)境中，受試者的最大心率和平原時(shí)相比下降了8%；在Koislinen[2]的研究中也發(fā)現(xiàn)最大心率相較于平原時(shí)下降了6±1.3（beat/min）。以往關(guān)于低氧下最大心率的研究主要還是集中于常氧與某一海拔高度的比較，HRpeak所呈現(xiàn)出的變化情況，就是在低氧環(huán)境與平原相比，顯著性下降。

導(dǎo)致HRpeak下降的原因可能與低氧刺激心交感、副交感神經(jīng)分泌神經(jīng)遞質(zhì)引起的。心交感神經(jīng)分泌的神經(jīng)遞質(zhì)腎上腺素，具有正性變時(shí)、變力的作用[6]，能夠增強(qiáng)心肌收縮力，加快心率。而心臟的另一條調(diào)節(jié)神經(jīng)，副交感神經(jīng)中的心迷走神經(jīng)所釋放的神經(jīng)遞質(zhì)與心交感神經(jīng)的神經(jīng)遞質(zhì)作用正好相反，心迷走神經(jīng)具有負(fù)性的變時(shí)、變力作用[6]，即導(dǎo)致心率減慢、心肌收縮力減弱。在本研究中，峰值負(fù)荷時(shí)的HR下降，可能就是由于心交感神經(jīng)的興奮并不能彌補(bǔ)心迷走神經(jīng)對于心臟的抑制作用，從而使HRpeak隨海拔高度升高而顯著性降低。

在本研究中，HRpeak是隨海拔高度的升高而顯著性降低的，HRpeak的降低必然會影響機(jī)體的心臟功能下降，從而影響心臟的供血量。心臟供血能力的下降，會導(dǎo)致氧在全身的轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而使VO2peak下降。本研究結(jié)果也證實(shí)，在不同的海拔高度下VO2peak與HRpeak都是隨海拔高度的升高而呈顯著性降低的。所以，HRpeak可能是造成急性低氧環(huán)境中VO2peak下降的重要因素。

3.3 不同急性低氧暴露下峰值負(fù)荷時(shí)SpO 2與VO2peak的關(guān)系

作為反映機(jī)體供氧程度的重要指標(biāo)，急性低氧暴露下血氧飽和度的變化代表了血液供氧能力的變化[7]。本研究結(jié)果顯示，在模擬不同的急性低氧暴露環(huán)境中，峰值負(fù)荷時(shí)的血氧飽和度都是隨海拔高度的升高而顯著性降低的。峰值負(fù)荷時(shí)，4500 m的SpO2要顯著低于2500 m值（P＜0.01）和平原值（P＜0.01），相較于2500 m和平原值，在4500 m，SpO2分別下降了15.08% ±4.06%、23.58% ±4.4%；同時(shí)2500 m值也要顯著低于平原值（P＜0.01），相較于平原，2500 m時(shí)的SpO2下降了8.5±2.07%。本研究結(jié)果與前人的研究也較為相近，Martin[7]在其研究中發(fā)現(xiàn)，無論是有訓(xùn)練經(jīng)歷還是沒有訓(xùn)練經(jīng)歷的人，在低氧環(huán)境下的血氧飽和度都較常氧時(shí)要低，有訓(xùn)練經(jīng)歷的受試者在峰值負(fù)荷時(shí)血氧飽和度從常氧下的89.9% ±4.1%下降至低氧環(huán)境下的67.0%±7.1%，無訓(xùn)練經(jīng)歷的受試者則從常氧下的93.3% ±4.5%下降至常氧下的77.5% ± 9.0%；Alan Tucker[8]在其研究中報(bào)道，在平原，1520 m，3050 m三個(gè)不同的海拔高度下，血氧飽和度的值也是逐漸降低的，峰值負(fù)荷時(shí)平原為92.1% ±1.0%，1520 m為84.5% ±1.6%（P＜0.05），3050 m為79.5% ± 0.8%（P＜0.05）。這些研究與本研究都表明，在低氧環(huán)境中，SpO2要顯著低于平原值，同時(shí)本研究結(jié)果還顯示了SpO2會隨著海拔高的升高而顯著性降低。

SpO2是血液中氧含量與氧容量的百分比，它反映著血液供應(yīng)氧的能力，百分比越大，供氧能力就越強(qiáng)，反之則越弱。在本研究中，SpO2是隨著海拔高度的升高而顯著性降低的，也就是說，隨著海拔高度的升高，血液中氧含量與氧容量的百分比越小，血液供氧的能力越弱。血液供氧能力的減弱，會導(dǎo)致肌肉利用氧的量減少，從而導(dǎo)致VO2peak的下降。本研究結(jié)果中也證實(shí)，VO2peak和SpO2都是隨著海拔高度的升高而降低的。所以，SpO2可能是造成急性低氧環(huán)境中VO2peak下降的重要因素。

綜上所述，在不同急性低氧環(huán)境中，機(jī)體由于受到缺氧的刺激，致使機(jī)體呼吸加深加快，肺通氣量上升；心率減慢，心臟功能減弱。VEpeak的增長導(dǎo)致肺換氣不足，機(jī)體攝取氧的效率降低；同時(shí)HRpeak降低，導(dǎo)致心臟泵血能力減弱，兩方面的原因共同造成了血液中氧含量的降低，SpO2下降，影響氧在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而影響肌肉利用氧，最終導(dǎo)致VO2peak的下降。

4 結(jié)論

（1）在不同急性低氧環(huán)境中，VEpeak可能是影響VO2peak下降的重要因素，尤其是在4500 m時(shí)影響更為明顯。

（2）在不同急性低氧環(huán)境中，HRpeak可能是影響VO2peak下降的重要因素，且隨著海拔高度的升高，HRpeak顯著性降低。

（3）在不同急性低氧環(huán)境中，峰值負(fù)荷時(shí)的SpO2可能是影響VO2peak下降的重要因素，且隨海拔高度的升高而顯著性降低。

[1]王瑞元，蘇全生.運(yùn)動生理學(xué)[M].北京：人民體育出版社，2012.

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Relationships between the Changes in Ventilation，Oxyhemoglobin Saturation，Heart Rate at the Maximal Workload and the Decrease in Peak Oxygen Uptake in Different Acute Hypoxia Environments

Sun Bin，Qiu Junqiang，Yi Longyan，Wang Jingjing
Beijing Sport University，Beijing 100084，China

Qiu Junqiang，Email：1843829284@qq.com

ObjectiveTo investigate the relationships between the changes in Ventilation（VEpeak），heart rate（HRpeak），oxyhemoglobin saturation（SpO2peak）at the maximal workload and the decrease of peak oxygen uptake in different acute hypoxia environments.MethodsTwelve healthy male college students underwent the bicycle incremental load test at sea level and simulated altitudes of 2500 m and 4500 m.The test was conducted at an interval of 14 days with the initiative load of 50 W，increasing 20 W every 3 minutes and rotating speed at 60 r/min.During each incremental load exercises，VEpeak，HRpeak，SpO2peakand VO2peakat the maximal workload were measured and documented.Results（1）The VO2peakhad significantly decreased at 4500m compared with at the sea level（P＜0.01）and 2500m（P＜0.05）.The VO2peakat 2500 m was significantly lower than at the sea level（P＜0.05）.（2）The VEpeakat 4500m was significantly higher than that at the other altitudes（P＜0.05）.（3）There was a significant decrease in HR?peakat 4500 m compared with at the sea level（P＜0.01）and 2500 m（P＜0.01），whereas the HRpeakat 2500 m was significantly lower than at the sea level（P＜0.01）.The HRpeakdecreased significantly withthe increase of altitude.（4）The SpO2peakwas significantly lower at 4500 m compared with at the other al?titudes（P＜0.01），and that at 2500 m was significantly lower than at the sea level（P＜0.01）.The SpO2peakdecreased significantly with the increase of altitude.Conclusion（1）In different acute hypoxia en?vironments，VEpeakis closely related to the VO2peakdecline，especially at 4500 m.（2）In different acute hy?poxia environments，HRpeakmay be an important factor that could affect the VO2peakdecline.With the in?crease of altitude，HRpeakdecreases significantly.（3）In different acute hypoxia environments，SpO2peakmay be an important factor affecting VO2peakdecline，and it decreases significantly as the altitude increases.

VO2peak，VEpeak，SpO2，HRpeak，acute hypoxia

2016.01.07

北京市教委課題（編號1304033）

邱俊強(qiáng)，Email：1843829284@qq.com