不同程度的血流限制对递增速度跑运动中心肺功能的影响

2019-06-20魏文哲赵之光王明波肖卓威

中国体育科技 2019年5期

魏文哲，孙科，赵之光，丁萌，王明波，肖卓威

加压训练是用专业的绑带，对上肢或下肢近心端血管施加一定的压力，使血液循环受到适度限制，并在这种状态下进行运动的方法。已有研究和实践证实，这种限制血流的加压训练，可以通过很小的负荷（20%～40% 1RM）达到与60%～85% 1RM抗阻训练相近的增肌效果，且不会引起肌肉损伤（魏佳等，2019；吴旸等，2019；Daeyeol et al.，2016；Kacin et al.，2011；Laurentino et al.，2008；Manimmanakorn et al.，2013；Martín-hernández et al.，2013；Takarada et al.，2000，2002；Yasuda et al.，2012）。也有研究者进行了在加压限制血流情况下的周期性有氧运动效果研究，并得出能够提高肌肉力量和耐力的结论（盛菁菁等，2019；Abe et al.，2006；Mikako et al.，2011；Ozaki H et al.，2011，2017；Park et al.，2010）。

人体血液循环系统的主要功能之一就是进行氧（O2）、二氧化碳（CO2）以及其他代谢产物等的运输。因此，当对肢体近心端血管施加一定的压力限制血液循环时，就会造成肢体远心端供血量的不足和静脉回心血量的减少。而如果在这种条件下运动，就有可能产生对运动肌肉的供氧不足和乳酸排出困难。

根据生物的适应性原理，如果环境变得严酷，生物就会启动为了适应严酷环境而使机能更强的机制。因此，如果在肢体血流受到限制的条件下进行运动，就会迫使人体产生既适应像高原那样的缺氧环境，又适应因乳酸无法顺利排出而造成的酸性环境的机能变化。如为了减少乳酸产生和增加氧的供应，机体会适应性增加毛细血管密度和线粒体数量，从而促进对肌肉的氧供应和有氧代谢能力。而为了更快地排出乳酸，避免酸中毒，肌细胞膜上会适应性增生乳酸转运酶的数量，以此提高将快肌产生的乳酸转运到慢肌和心肌分解利用的能力。其结果是人体的有氧代谢能力和消除乳酸能力会得到大幅度的提高。

1 实验对象与方法

1.1 实验对象

实验对象为8名健康青年男性，平均年龄为20.5±3.8岁，身高为187.6±8.6 cm，体重为78.4±11.4 kg，体脂百分比为8.9±5.0%。所有实验对象均有常年的跑步锻炼习惯，能够完成实验中的跑步要求。

1.2 实验方法

在腿部捆绑加压绑带，并在4种不同气压压力条件下分别进行递增跑运动，直至力竭。运动中通过运动心肺评估系统（瀚雅运动心肺评估系统Smax58ce，南京）连续测量HR和呼气成分，运动结束后第2 min，采集指血血乳酸（Lactate Scout血乳酸仪，德国）。具体方法如下：

加压部位与气压压力：加压设备采用了宽度为5 cm的专用加压训练仪下肢加压绑带（KAATSU master，日本）。捆绑压均采用40 mmHg。加压带捆绑于大腿中上1/3处，并与大腿纵轴垂直。加压带气压压力分别为80 mmHg、160 mmHg、240 mmHg。作为对照，不捆绑加压带记为0 mmHg，以下同。

递增跑运动方法：在跑步机上，以7 km/h速度运动3 min后，以每分钟递增1 km/h速度方式进行递增速度运动，直至力竭。力竭标准参考了与山地啓司（2001）等其他研究者相近的标准，即出现以下条件中的2个或2个以上：1）受试者不能保持规定的运动速度；2）摄氧量不再增加而出现平台；3）呼吸商大于1.10；4）运动中HR大于最大推算年龄（220-年龄）-10 bpm；5）运动后血乳酸大于8 mmol/L；6）呼吸频率大于50次/min。

能量代谢指标采集方法：整个运动过程中，通过运动心肺评估系统连续测量HR和呼气成分，以摄氧量（）的最大值为，以递增负荷中出现时的对应速度和HR为速度和HR。无氧阈由两名有经验的专业人员共同判断，判断方法采用V-slope法（Beaver et al.，1986），将通气量、CO2排出量发生激增的点定义为通气无氧阈，将与其对应的、速度、HR为无氧阈、无氧阈速度、无氧阈HR。

为避免多次测试带来的训练效应的影响，以及测试间隔时间过长引起的心肺耐力变化，本研究将8名受试者随机分成4组（A组，B组，C组，D组），间隔48 h进行1次测试。其中A组顺序为0 mmHg→80 mmHg→160 mmHg→240 mmHg，B组顺序为240 mmHg→160 mmHg →80 mmHg→0 mmHg，C组顺序为160 mmHg→80 mmHg→240 mmHg→0 mmHg，D组顺序为80 mmHg→ 160 mmHg→0 mmHg→240 mmHg。

1.3 统计分析

本研究的所有数据采用Excel 2016和SPSS 18.0处理，数据结果用平均值±标准差（M±SD）表示。采用配对t检验进行组内比较，显著性差异水平P＜0.05。

2 实验结果

2.1 不同条件下无氧阈强度各项指标的变化

在无氧阈速度方面，随着气压压力的增大，呈现下降幅度越来越大的趋势。且3种加压条件下的无氧阈速度均显著低于不加压条件，而比较3种不同加压条件之间的无氧阈速度，相互间均具有显著性差异。其中，160 mmHg时比80 mmHg时下降3.7%（P＜0.001），240 mmHg时分别比80 mmHg时和160 mmHg时下降8.1%（P＜0.001），4.6%（P＜0.001）。在无氧阈V.O2方面，与无氧阈速度的变化相似，但下降幅度小于无氧阈速度，且80 mmHg与不加压的0 mmHg条件相比无显著差异。而比较3种加压条件下的无氧阈V.O2，240 mmHg 时比80 mmHg时相比下降6.4%，并有显著差异（P＜0.01），160 mmHg时与其他加压条件时则无显著差异（P＞0.05）。在无氧阈HR的比较方面，4种条件下均无显著差异（表1）。

表1 不同加压压力条件下无氧阈出现时各项指标的差异Table 1 The Differences of Indicators of Anaerobic Threshold among Different Pressure of Blood Flow Restrictions

为了便于观察不同加压条件与无氧阈速度下降幅度的关系，将不同气压压力作为横坐标，将无氧阈速度下降幅度作为纵坐标，绘制了散点图和趋势线（图1），无氧阈速度下降幅度和气压压力的回归方程为y=-0.0005x-0.015。

汽车的燃油经济性可以用百公里油耗进行推算，而人的跑步经济性，也可以用每公里消耗的氧气量（每公里）来计算。此外，在相同时，每公里的心脏搏动次数还可以反映心脏的工作效率（即每搏输出量的大小）。

图1 不同压力的血流限制与无氧阈速度的下降率Figure 1. Reduction Rate of Anaerobic Threshold Velocity under Different Pressure Blood Flow Restrictions

表2 不同压力条件下无氧阈强度出现时每公里和每公里心脏搏动次数的差异Table 2 The Differences of Oxygen Uptake Per Kilometer and Heart Beats Per Kilometer of Anaerobic Threshold under Different Pressure Blood Flow Restrictions

注：计算时除去了安静代谢的摄氧量和心率；**表示P＜0.01，下同。

加压压力/mmHg每公里V.O2/（ml/kg·km）每公里V.O2变化率/%每公里心脏搏动次数次/ km每公里心脏搏动次数变化率/%0 167.2±14.5 0.0 487.3±54.1 0.0 80 174.0±15.2* 4.0 530.0±56.2** 8.8 160 174.6±15.4* 4.9 542.0±58.7** 11.2 240 175.9±18.1* 5.2 548.7±77.0** 12.6

2.2 不同条件下强度各项指标的变化

表3 4种不同加压压力条件下V.O2max出现时各项指标的差异Table 3 The Differences of Indicators of Maximal Oxygen Uptake among Different Pressure of Blood Flow Restrictions

图2 不同压力的血流限制与速度的下降率Figure 2. Reduction Rate of Maximum Oxygen Uptake Velocity under Different Pressure Blood Flow Restrictions

2.3 不同条件下力竭速度、最大通气量、HRmax及运动后血乳酸的变化

在力竭速度方面，与不加压的0 mmHg条件相比，80 mmHg、160 mmHg、240 mmHg这3种加压条件下的力竭速度均显著降低，显示出加压压力越大，力竭速度下降幅度越大的趋势。再比较3种加压条件之间的力竭速度，在160 mmHg和240 mmHg压力条件下显著低于80 mmHg压力条件，分别下降3.8%（P＜0.05）和6.7%（P＜0.01），而160 mmHg和240 mmHg压力条件之间则无显著差异（P=0.0910）。在最大通气量、HRmax和运动后血乳酸方面，4种条件下均无显著差异（表4）。

3 讨论

为了解不同程度的血液循环限制对运动心肺功能产生的影响，本研究在递增负荷运动过程中对受试者进行了不同程度的血流限制，并观察分析了在无氧阈强度、强度和力竭速度时各项相关指标的变化。

3.1 无氧阈强度时各项指标的变化分析

无氧阈的概念由Wasserman等（1964）提出的，是指在递增负荷运动过程中，随着运动强度的增大而开始发生乳酸堆积、二氧化碳排出量和通气量激增的临界点。而体内乳酸的堆积主要由两个因素决定：一是对肌肉的氧供应量；二是乳酸的排出速度。

表4 不同压力条件下力竭速度、最大通气量、HRmax及运动后血乳酸的差异Table 4 The Differences of Exhaustion Speed，Maximal Ventilation Volume，Maximal Heart Rate and Blood Lactic Acid among Different Pressure Blood Flow Restrictions

表1和图1所示，在4种不同加压压力条件下，无氧阈速度出现了随着气压压力的增大而下降的趋势，且不同压力条件间均具有显著性差异。在递增速度跑运动过程中，加压引起的无氧阈速度的改变主要因素有两方面：一是捆绑加压带本身造成的跑步技术动作改变带来的能耗变化；二是加压限制血流造成的供氧和乳酸排出速度变化。而这两方面的影响幅度可以通过图1中无氧阈速度下降幅度和气压压力的回归方程y=-0.0005x-0.015来了解。在该公式中，b值-0.015（-1.5%）代表与Y轴的交点，说明，捆绑加压带本身造成的无氧阈速度下降幅度约为1.5%（换算成速度为12.9 km/h×1.5%=0.19 km/h）。而a值-0.0005则代表着气压每升高1 mmHg会使无氧阈速度下降0.05%（或者说每升高100 mmHg的气压压力下降5%，换算成速度为12.9 km/h×5%=0.65 km/h）。

气压压力限制血流造成的无氧阈速度的下降是由于对肌肉的氧供不足，还是由于乳酸无法顺利排出？为了解答这个问题，本研究比较了4种不同气压压力条件下无氧阈速度时的每公里和每公里心脏搏动次数。

而为了观察无氧阈速度的下降是否由乳酸无法顺利排出所引起，本研究又进行了每公里心脏搏动次数的比较。每分输出量是每搏输出量和HR的乘积。在HR达到110次/min之前，每分输出量主要靠每搏输出量和HR的同步增加。而当HR达到110次/min左右时，每搏输出量会达到最大并保持恒定，此后每分输出量的增加主要依赖于HR的增加。也就是说，运动中HR超过110次/min后，当完成的总功或相同时，可以通过对应的心脏搏动总次数，观察心脏每搏输出量的大小。

与先行研究结果相似（飯田陽子等，2008；石井直方，2004；中島敏明，2007），在本研究中，每公里心脏搏动次数出现了随加压压力增大而逐渐增加的趋势。相对于不加压条件，在80 mmHg、160 mmHg、240 mmHg这3种加压条件下，每公里心脏搏动次数分别显著提高8.8%，11.2%和12.6%（P＜0.01），远大于的提高幅度（4.0%，4.9%和5.2%）。说明，在加压条件下HR升高的原因之一是随着压力的升高出现的每搏输出量的减少，而每搏输出量的减少，则源于静脉回血量的减少。也就是说，对下肢近心端加压会使静脉回流受到限制，而静脉回流受限会使乳酸等酸性物质因无法通过静脉顺利排出而出现堆积，并造成无氧阈的提前到来。

如前文所述，捆绑加压带本身造成的能耗增加、限制血流造成的对肌肉氧供不足和乳酸堆积均有可能造成速度和的下降。

前文已经论述，每分输出量是每搏输出量和HR的乘积。当HR达到110次/min之后，每搏输出量会达到最大值，每分输出量的增加主要依赖于HR的增加。但由于每个人的HRmax存在上限，因此，当达到HRmax后，每分输出量将无法继续随运动强度的增加而增加，而肌肉也因此无法通过更多的血量获得氧气（血液运输来的氧气），这时就会出现平台。一般将这个平台出现时的称为最大。

如同在前文中的分析，加压造成的血流限制，会使静脉回流减少，造成每搏输出量的降低。而这会引起同等速度下的HR提高。也就是说，在递增负荷运动过程中，加压造成的血流限制会使HRmax提前到来。由于HRmax无法进一步上升，因而HRmax的提前到来也意味着每分输出量也将提前达到最大值，并小于不加压时的每分输出量最大值（因为加压造成静脉回流减少，每搏输出量最大值变小，而HRmax相同，代表二者乘积的每分输出量最大值也变小）。而这会使HR达到最大时供应给肌肉的总血量减少，进而引发对肌肉氧供的不足，并导致值的减小和速度的提前出现。

与无氧阈速度降低的原因一样，加压造成的静脉回流的减少，会使肌肉产生的乳酸出现排出困难而更早地发生堆积，引发疲劳的提前出现。因此，加压条件下的减少和速度的降低，是由于对肌肉的氧供不足和乳酸的提前积累两方面原因造成的。

再比较不同加压压力下，最大通气量和运动后第2 min血乳酸的变化，可以发现，在4种条件下，二者均未发生显著变化。这说明，虽然在加压条件下，乳酸的堆积和最大通气量会提前到来，但并不会使力竭时的最大乳酸浓度和最大通气量发生改变。

在加压条件下跑步，由于乳酸不易排出，因而可以在绝对速度相对较低的条件使乳酸快速堆积，从而达到在肌肉和关节不承受更大冲击的条件下，刺激与有氧代谢和乳酸排出相关的毛细血管数量、乳酸转运酶数量增多的目的。此外，虽然还有待进一步研究论证，但由于在加压条件下会出现乳酸排出困难，因而，如果在加压跑步后，并不马上解除压力，而是继续保持加压状态，也有可能获得更长的乳酸堆积效应，并获得更好的锻炼效果。