陳澤愷 朱琳 李展權 曹友祥 謝維俊

1廣州體育學院研究生院（廣州 510500）

2廣州體育學院運動與健康學院（廣州 510500）

在過去的幾十年間，兒童青少年肥胖檢出率呈現(xiàn)逐年上升的趨勢[1，2]。流行病學研究表明，青少年肥胖的增加將伴有心肺適能（cardiorespiratory fitness，CRF）的下降，且與心血管疾病、代謝性疾病的發(fā)生風險相關[3]。鑒于心肺適能對健康的重要作用，美國心臟協(xié)會于2016年將心肺適能作為人體的第5大臨床生命體征[4]。最大攝氧量（maximal oxygen consumption，VO2max）是評價心肺適能最常用的指標[5，6]，可通過跑臺測試、20 m往返跑測試（20-m shuttle run test，20-mSRT）、12 min跑測試等多種測試方法獲得受試者的VO2max。

身體活動（physical activity，PA）是指任何骨骼肌收縮引起的高于基礎代謝水平能量消耗的機體活動，與健康之間存在“劑量-效應”關系，不同運動持續(xù)時間、強度、頻率組合形成的身體活動所帶來的健康效應也不同[7-9]，其中運動強度是關鍵[10]。與此同時，有學者也發(fā)現(xiàn)身體活動與健康促進效果之間的關系并非都是簡單的線性相關，對于部分健康指標而言，當身體活動量達到某一閾值后，身體活動量的增加并不能獲得更高的健康效益[11，12]。

既往研究已證實，身體活動與兒童青少年的心肺健康呈正相關，可顯著改善兒童青少年心肺適能[13，14]。《中國兒童青少年身體活動指南》及世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）在其發(fā)布的身體活動指南中均建議兒童青少年每天進行至少60 min的中高強度身體活動（moderate to vigorous intensity physical activity，MVPA），以改善心肺適能和整體健康水平[15，16]，但尚不能獲得心肺適能改善所需的最佳身體活動劑量。就是說，盡管指南推薦每日MVPA應達60 min，但對于肥胖兒童青少年，增加每日MVPA推薦量的時間能否帶來更高的心肺適能改善效果，以及這種改善效果的增加是否具有閾值效應尚未可知。鑒于此，本研究通過深入探討MVPA量與心肺適能改善效果之間的劑量-效應關系，以明確改善肥胖兒童青少年心肺適能的最佳劑量，為肥胖兒童青少年的運動干預指導提供更精確及科學化的理論參考。

1 對象與方法

1.1 研究對象

本研究招募的受試者為10～17歲的肥胖兒童青少年，所有受試者均來自參加深圳減肥達人訓練營的營員，在正式進行測試前受試者及監(jiān)護人均需簽署知情同意書。納入標準：（1）兒童青少年肥胖標準參照《中華人民共和國衛(wèi)生行業(yè)標準（WS/T586-2018）學齡兒童青少年超重與肥胖篩查》[17]；（2）智力水平發(fā)育正常；（3）通過運動風險篩查；（4）具有良好依從性，能夠積極配合運動干預及完成相應指標采集。排除標準：（1）病理性肥胖；（2）患有嚴重肥胖并發(fā)癥；（3）正在接受藥物治療；（4）存在運動受限，無法完成基本運動。研究方案獲得廣州體育學院人體倫理委員會審批，審批編號為2018LCLL-008。

1.2 研究方法

1.2.1 身體形態(tài)學指標測量

采用符合國民體質監(jiān)測標準的身高計和體重計對受試者身高、體重進行測量，根據(jù)結果計算身體質量指數(shù)（body mass index，BMI）。身高測試以cm為單位，精確至0.1 cm；體重測試以kg為單位，精確至0.1 kg。

1.2.2 身體活動量測量

采用ActiGraph GT3X+三軸運動加速度計（Acti-Graph，Pensacola，F(xiàn)L，USA）對受試者整個干預周期內的身體活動情況進行記錄。佩戴位置為身體右側腋窩中線與髂脊水平線相交處[18]，30 Hz采樣頻率，60 s的采樣間隔，每周佩戴6天，每天至少佩戴7小時[19，20]，工作人員于每日早上9點發(fā)放儀器，晚上21點回收，采用儀器配套的軟件ActiLife Version 6.13.3進行數(shù)據(jù)導出與分析，將連續(xù)60 min未監(jiān)測到活動數(shù)據(jù)的時間段設定為未有效佩戴加速度計[21]。肥胖兒童青少年MVPA的切點值為VM3≥3687 counts/min[22]。

1.2.3 心肺適能指標測量

以最大攝氧量（maximal oxygen consumption，VO2max）作為心肺適能的評價指標，采用20 m往返跑測試[23]的結果估算受試者VO2max。正式進行20 m往返跑測試前由測試人員對受試者進行規(guī)則的講解，并安排1名測試人員全程領跑，記錄每一位受試者最終完成的laps（圈）數(shù)，然后代入公式算出VO2max值。計算公式[24]如下：VO2max=41.76799+（0.49261×PACER）-（0.00290×PACER2）—（0.61613×BMI）+（0.34787×gender×age），其中PACER為20 m往返跑測試最終完成的laps（圈）數(shù)，男生gender=1，女生gender=0。

1.2.4 運動干預

受試者在營期間統(tǒng)一進行運動干預，運動類型以有氧運動為主，運動項目主要包括快走、慢跑、體育游戲、有氧操、娛樂性的球類運動等，運動時間為240 min/d（上、下午各120 min），每周6天，共持續(xù)4周。

1.2.5 靜息能耗測試

使用Cortex Meta Max 3B便攜式氣體代謝分析儀（簡稱Cortex 3B）進行靜息能耗的測試，測試前24小時禁止飲用咖啡或酒精類飲品，并于餐后2小時后開展測試，以排除食物特殊動力作用。測試時要求受試者在室溫穩(wěn)定的測試場地先靜坐15 min，然后測試人員為其佩戴Cortex 3B進行安靜平臥15 min的靜息能耗測試，通過儀器配套軟件實時監(jiān)測和記錄受試者O2量（ml/min）和CO2量（ml/min），最后根據(jù)Weir[25]公式計算靜息能耗。

1.2.6 飲食控制

飲食方案由專業(yè)營養(yǎng)師制定，受試者每日飲食攝入的熱量依據(jù)靜息能耗確定。一日三餐的熱量分配比例約為3∶4∶3，每餐碳水化合物、蛋白質、脂肪供能比例分別占當餐攝入總能量的55%～65%、10%～15%、

20%～35%[26]。

1.2.7 統(tǒng)計學分析

連續(xù)型變量采用均值±標準差（x±s）表示，性別分布采用相對比表示。分析前對數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗，若數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，則選用非參數(shù)檢驗方法進行分析。根據(jù)三分位數(shù)法，將在營期間每日MVPA活動量（min/d）劃為分Q1組（n=19）、Q2組（n=19）、Q3組（n=18），分別對應低、中、高運動劑量組。各組受試者性別分布的比較采用卡方檢驗；組內干預前后心肺適能的比較采用配對樣本t檢驗；心肺適能的改善效果采用“△VO2max”表示，計算方式為干預后與干預前VO2max值之差；組間心肺適能改善效果的比較采用單因素方差法，事后比較采用Bonferroni法，使用線性趨勢檢驗分析各組心肺適能改善效果的變化趨勢；采用線性回歸探討MVPA量每增加1單位與心肺適能改善效果的劑量-效應關系；采用限制性立方樣條（restricted cubic spline，RCS）模型探討校正了年齡、性別、BMI等混雜因素后，每日MVPA量與心肺適能改善效果之間是否存在非線性關系，若存在非線性關系，則采用分段線性回歸模型。數(shù)據(jù)分析及限制性立方樣條圖的繪制采用SPSS 24.0和基于R語言4.1.0版本的Rstudio軟件。P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 受試者基本情況

有9名受試者因在4周干預過程中出席天數(shù)占總訓練天數(shù)的比例低于80%或未能完成20 m往返跑測試而被排除出統(tǒng)計分析。最終共56名受試者被納入統(tǒng)計分析，其中男生29名，女生27名。Q1～Q3組受試者的年齡、身高、體重、BMI、靜息能耗等數(shù)據(jù)在基線狀態(tài)均無顯著差異（P＞0.05）（表1）。

表1 受試者基本情況

2.2 不同身體活動劑量組干預前后身體形態(tài)及心肺適能變化比較

t檢驗結果顯示（表2），4周干預后總體的體重、BMI、VO2max等指標均較干預前顯著改善（P＜0.01），Q1～Q3組干預后的VO2max均較干預前顯著提升（P＜0.01）。單因素方差分析結果顯示（表2），Q1～Q3組間的△體重和DBMI差異顯著；Q1～Q3組的△VO2max組間差異顯著（P＜0.01），趨勢性檢驗差異顯著（P＜0.01）；進一步事后比較發(fā)現(xiàn)，Q2組與Q1組之間、Q3組與Q1組之間的△VO2max均存在顯著差異（P＜0.05），Q3與Q1組間△體重和△BMI差異顯著（P＜0.05）。

表2 不同身體活動劑量組干預前后身體形態(tài)及心肺適能變化

2.3 MVPA量與心肺適能改善效果的劑量-效應關系分析

線性回歸分析結果顯示（表3），MVPA量每增加1 min/d，△VO2max增 加0.04 ml/kg/min（95%CI：0.008，0.065）。校正年齡、性別、基線BMI、基線VO2max后，MVPA量 每 增 加1 min/d，△VO2max增 加0.04 ml/kg/min（95%CI：0.008，0.070）。

表3 MVPA量與心肺適能改善效果的劑量-效應關系分析

2.4 MVPA量與心肺適能改善效果的閾值效應分析

MVPA量與肥胖兒童青少年心肺適能改善效果的劑量-效應關系中存在非線性關系（P-Nonlinear＜0.05）（圖1）。當MVPA≤98.9 min/d時，△VO2max隨著MVPA量增加而快速增加，MVPA量每增加1 min/d，△VO2max增加0.11 ml/kg/min（95%CI：0.032，0.180）；校正年齡、性別、基線BMI、基線VO2max后，MVPA量每增加1 min/d，△VO2max增加0.11 ml/kg/min（95%CI：0.052，0.166）（表4）。當MVPA＞98.9 min/d時，MVPA量與△VO2max的劑量-效應關系不顯著（P＞0.05），圖中對應區(qū)間的曲線甚至呈現(xiàn)下降的趨勢。

表4 MVPA量與心肺適能改善效果的閾值效應分析

圖1 MVPA量與心肺適能改善效果的閾值效應關系圖

3 討論

本研究結果顯示，在一定范圍內（MVPA≤98.9 min/d），MVPA量與肥胖兒童青少年心肺適能改善效果之間存在顯著的劑量-效應關系，即隨著MVPA量的增加，肥胖兒童青少年心肺適能改善效果越好。而當MVPA＞98.9 min/d時，MVPA量的增加并不會顯著增加心肺適能的改善效果，反而會限制心肺適能的改善。這說明MVPA量與肥胖青少年的心肺適能改善效應間存在顯著的非線性劑量-效應關系和閾值效應。

Wisnieski等[27]在一項橫斷面研究中發(fā)現(xiàn)，MVPA的增加可以顯著提升女性兒童青少年的心肺適能。Vasconcellos等[28]發(fā)現(xiàn)，身體活動不僅可以對身體成分、肌肉力量、血壓等指標產生積極影響，而且可以改善肥胖兒童青少年的心肺適能。與既往研究類似，本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過4周不同MVPA時間的運動干預后，肥胖兒童青少年的心肺適能水平均得到顯著改善，Q2、Q3組相較低身體活動劑量的Q1組心肺適能改善效果更明顯，這提示MVPA量與心肺適能改善效果之間存在劑量-效應關系趨勢。

為了驗證身體活動與健康改善之間的劑量-效應關系，學者們針對不同群體開展了大量研究。Nevill等[29]研究發(fā)現(xiàn)，兒童青少年自我報告身體活動量與VO2max之間存在劑量-效應關系，更高的身體活動量對應著更高的VO2max。Edwards等[30]發(fā)現(xiàn)MVPA量與動脈粥樣硬化指數(shù)間存在負向的劑量-效應關系，隨著MVPA量的增加，動脈粥樣硬化指數(shù)不斷下降。Stoner等[31]在一項納入了16篇文獻的Meta分析中發(fā)現(xiàn)，肥胖兒童青少年身體活動量每增加1 MET-h/week，BMI和體重分別下降0.13 kg/m2和0.33 kg。與上述研究類似，本研究發(fā)現(xiàn)MVPA量與肥胖兒童青少年心肺適能改善效果之間存在顯著的劑量-效應關系。值得注意的是，一些學者發(fā)現(xiàn)劑量-效應關系并不完全都是線性的，可能存在非線性關系及閾值效應。全明輝等[11]發(fā)現(xiàn)，當每日累計MVPA超過65 min后，MVPA時間的增加并不能增加男童達到高體質健康水平的比率，MVPA與男童達到高體質健康水平的比率之間存在非線性關系與閾值效應。Sriram等[32]研究了12～19歲兒童青少年客觀測定的身體活動量與心血管代謝健康之間的劑量-效應關系后發(fā)現(xiàn)，身體活動量與BMI、收縮壓（systolic blood pressure，SBP）、VO2max等指標之間的劑量-效應關系都存在閾值效應，如當男性身體活動量超過150 min/week后，VO2max并不會隨著身體活動量增加而進一步增加。本研究使用限制性立方樣條模型探討MVPA量與肥胖兒童青少年心肺適能改善效果之間的非線性關系，此方法廣泛地被各國學者應用于劑量-效應關系問題的分析中[33-35]。限制性立方樣條的結果顯示，MVPA量與肥胖兒童青少年心肺適能改善效果的劑量-效應關系中存在顯著的非線性及閾值效應，當MVPA＞98.9 min/d時，MVPA量的增加并不能進一步提升心肺適能的改善效果。與既往采用橫斷面的研究設計只能分析身體活動量與心肺適能間的相關關系不同，本研究采用干預前后自身對照的縱向設計，分析了MVPA量與心肺適能改善效果間的數(shù)量依存關系，并確定了MVPA量與肥胖兒童青少年心肺適能改善效果間劑量-效應關系的閾值點。除此之外，先前類似研究針對的群體并非為肥胖兒童青少年，其研究結果并不一定適用于肥胖兒童青少年，因此本研究對肥胖兒童青少年的運動開展具有更強的理論及現(xiàn)實指導意義。綜上所述，身體活動可以顯著改善肥胖兒童青少年的心肺適能，并且在一定范圍內MVPA量的增加可以帶來更大的心肺適能改善效果，但改善效果在MVPA量超過98.9 min/d后不再增加。

本研究在肥胖兒童青少年群體中探討中高強度身體活動量與心肺適能改善效果間的劑量-效應關系，縱向研究的設計與以往橫斷面研究中探討劑量-效應關系的實驗設計不同，避免了無法探討身體活動量與心肺適能改善效果間數(shù)量依存關系的不足。此外，本研究使用了限制性立方樣條分析身體活動量與心肺適能改善效果之間的劑量-效應關系，避免了以往在部分劑量-效應關系的研究中僅靠肉眼觀察圖形判斷是否存在非線性關系及簡單線性回歸無法探討非線性關系的缺點，更科學，更貼近真實情況。本研究雖然在實驗設計及方法上盡可能地加強了研究的科學性與可靠性，但受到客觀條件的限制仍然存在不足之處，比如因肥胖兒童青少年受試者較難招募而限制了樣本量的進一步擴大；干預周期4周不能對比每個月的心肺適能改善效果，這些均有待后續(xù)研究進一步完善加強。

4 結論

MVPA量與肥胖兒童青少年心肺適能改善效果間存在非線性的劑量-效應關系和閾值效應。在一定范圍內，MVPA量與心肺適能改善效果存在量化關系，增加MVPA量可帶來更高的心肺適能改善效果；但當MVPA量超過98.9 min/d時，心肺適能的改善效率會下降。