超重或肥胖大学生最大运动中脑氧合及血液动力学研究

张军 张致伟

(1.浙江工商大学体育工作部 浙江杭州 310018;2.上海师范大学体育学院 上海 201418)

根据中国卫生部门的统计数据显示，目前我国18岁以上居民超重率为30.6%，肥胖率为12%。在大学生群体中，超重与肥胖界定是以体重指数（BMI）为主要指标，17.9≤BMI≤23.9定义为正常体重指数，24≤BMI≤27.9为超重体重指数，BMI≥28则界定为肥胖。对于健康成人来说，不论是进行单次或长期运动训练都可增加心输出量与每搏输出量。同时，运动也会影响脑血流量和脑氧合的表现，在低强度与中强度运动时，大脑中的氧合血红蛋白逐步增加。然而，关于肥胖人群在运动中血液动力学与脑氧合的关系及作用机制的研究较少，最大运动中肥胖者的脑氧合状态表现与正常体重者有无差异，肥胖对于心血管功能的影响是否会表现在脑氧合状态，目前也尚未有定论。基于此，该文对最大运动对肥胖或超重成人的血液动力学与脑氧合状态的影响及生理机制进行研究。

1 研究对象与方法

1.1 实验参与者

在浙江工商大学招募超重或肥胖（BMI≥24kg/m2）及体重正常（17.9≤BMI≤23.9kg/m2）健康大学男生。受试者条件包括：（1）年龄≥20岁，男性健康大学生；（2）无规律运动习惯；（3）无严重心血管疾病、哮喘、糖尿病或其他重大疾病病史；（4）无上下肢功能损伤。

1.2 实验设计与流程

2019年10月10日至11月30日在浙江工商大学健康体适能与运动训练监控实验室进行。受试者填写基本资料后，进行功率自行车测试，测量受试者最大摄氧量、最大做功率等。最大运动测试过程中持续收集受试者摄氧量、血液动力学，并以近红外光谱技术来测量右半脑前额叶的氧合变化，每10min记录受试者血液动力学、脑血氧合状态，一直持续到运动停止后30min。

1.3 研究工具

用Inbody720进行身体成份分析，用活动量简易自我评价量表评估是否符合执行运动，以非侵入式心脏监测系统[1]监测血液动力学变化，以近红外光谱技术[2]进行监测脑部氧合状态。

1.4 测量方法

以功率自行车进行递增式运动测试，用能量代谢测量系统测量受试者的最大摄氧量。测试流程为受试者维持功率自行车踩踏速度每分钟50～60rpm，开始运动第0～4min，自行车功率为30W，后每2min功率增加30W，直至达到个人峰值。过程中每2min记录受试者心跳、血压、血氧饱和度，以自觉量表监测受试者努力程度。

1.5 统计分析

以SPSS 20统计软件分析数据，运用混合设计二因子方差分析检验因变量在正常组与超重或肥胖组间的差异。

2 结果与分析

2.1 受试对象基本资料和最大运动测试表现

共有32名受试者完成实验，其中在平均年龄、肌肉质量上，两组无显著性差异，而在平均体重、腰围、臀围上超重/肥胖组显著大于正常组。超重/肥胖组的平均BMI、体脂率分别为29.0±5.4kg/m2、30.6±7.8%，都达到肥胖等级，显著大于正常组。安静状态下，心输出量与体重（r=0.420，P=0.017）、BMI（r=0.420，P=0.017）成正比，体重、BMI越大者，安静心输出量越大。在最大运动测试表现方面，休息状态时心率无显著差异，而舒张压超重/肥胖组显著大于正常组；无氧阈状态时的百分比无显著差异，而无氧阈值时的负荷超重/肥胖组显著小于正常组。正常组最大摄氧量、最大摄氧量/预期值、大运动负荷都显著大于超重组，表明过多的身体脂肪在运动中会增加心脏的负荷，导致运动耐力下降，进而影响最大摄氧量表现。此外，腹部因脂肪堆积会使横膈膜上升，肺容量减少，造成通气障碍，发生二氧化碳滞留及缺氧现象，引起超重/肥胖者运动中出现换气不顺畅、呼吸气喘和疲乏等症状[3]，因此腹部脂肪可能也是影响超重/肥胖者运动表现的原因之一。

2.2 安静与最大运动测试时身体指标、脑氧合与血液动力学指标相关情况

安静状态时心输出量、收缩压与体重、BMI、体脂肪、脂肪率都呈显著正相关。体重、BMI、体脂肪、脂肪率越大者，安静时心输出量与安静收缩压也越大。安静时心脏收缩指数与体重、BMI、体脂肪呈显著负相关。体重、BMI、体脂肪越大者，安静时心脏收缩指数越小。此外体重与舒张末容积成正比。体重越大，舒张末容积越大。最大运动时舒张压与体重、BMI、体脂肪、脂肪率呈显著正相关。体重、BMI、体脂肪、脂肪率越大者，最大运动时舒张压也越大。最大运动时舒张末容积与体重、BMI、体脂肪呈显著正相关。体重、BMI、体脂肪越大者，最大舒张末容积越大。此外体重与最大运动时每搏输出量成正比，BMI与最大运动时早期舒张填充率成正比。而最大运动测试时，最大摄氧量与脑氧合中氧合血红蛋白（O2Hb）（r=0.390，P=0.044）、还原血红蛋白（HHb）（r=0.469，P=0.014）和总血红蛋白tHb（r=0.442，P=0.021）成正比，最大摄氧量越大，脑中O2Hb、HHb和tHb越大。脑氧合与最大强度时的血液动力学参数无显著相关。

2.3 最大运动测试中超重/肥胖组与正常组的血液动力学差异

在最大运动测试中的血液动力学方面，不同运动强度之间的心输出量、每搏输出量和射血分数有显著差异，不同运动强度显著改变血液动力学表现。最大运动强度时正常组的心输出量（18.9±3.9L/min）、每搏心输出量（106.7±23.2mL）、射血分数（72.4±11.8%）和超重/肥胖组的心输出量（21.2±7.0L/min）、每搏心输出量（125.8±43.7mL）、射血分数（71.1±7.3%）显著大于其他强度。超重/肥胖组和正常组的心输出量从安静时上升至最大强度过程中，两组未达到显著差异。虽然最大运动过程测试中两组间的血液动力学变化表现无显著差异，但发现正常组的心输出量从安静时到70%Wmax时上升的百分比显著大于超重/肥胖组。心输出量、每搏输出量及射血分数中强度因子主要效果都达到显著差异，而组别因子主要效果则都未达到显著差异，同样组别与强度因子的交互作用也都未达到显著水平。两组在最大运动测试中的变化幅度（Δ）计算公式，以休息状态为基准点，Δ＝（各强度下数值－休息时数值）/休息时数值×100%。正常组心输出量自安静时至70%最大运动负荷增加幅度（179.7±70.7%）显著大于超重组（137.0±31.4%）。

2.4 最大运动测试中超重/肥胖组与正常组的脑氧合差异

在脑氧合方面，结果显示不同强度之间的O2Hb表现有显著差异，两组在70%Wmax时都显著大于其他各强度，而不同强度之间的HHb、tHb表现有显著差异，两组在最大强度（100%Wmax）时都显著大于休息状态。O2Hb、HHb和tHb在强度因子主要效果上都达到显著差异。O2Hb和HHb在组别与强度因子交互作用上都达到显著水平，单纯主要结果分析发现，运动停止后30min正常组的O2Hb显著高于超重/肥胖组；运动停止后10min正常组的HHb显著高于超重/肥胖组。O2Hb、HHb和tHb在组别因子主要效果上都未达到显著差异，此外tHb在组别与强度因子交互作用上也未达到显著水平。两组在最大运动测试中脑氧合变化值（Δ）的计算方式，以休息时状态为基准点，变化值（Δ）＝各强度下数值－休息时数值。正常组脑氧合tHb自安静时至50%Wmax变化值（7.0±7.3μmol/L）显著大于超重/肥胖组（1.7±4.2μmol/L）。

随着运动强度增加，在30%Wmax至70%Wmax中，脑前额叶中的O2Hb迅速上升，在70%Wmax后开始下降。而tHb则是随着运动强度的增加而上升，至最大运动强度时达到峰值。运动中脑tHb上升的幅度，正常组从运动开始至50%最大做功负荷上升的幅度显著大于超重/肥胖组。tHb是O2Hb和HHb的总和，被视为脑血流量多寡的指标，而运动时的脑血流量增加，提供大脑更多氧气，提升大脑血氧合状态。肥胖者由于常伴随有血脂增加、血管弹性降低、左心室顺应性减少等现象，导致血流量下降[4]。此外，过多的体重会刺激交感神经系统[5]，加速脑中的氧化速度与代谢反应，降低脑中氧气供应能力及脑血流量，降低上升幅度，这可能是造成超重/肥胖组tHb上升的幅度小于正常组的原因[6]。

3 结语

在最大运动测试中，心输出量、每搏输出量、射血分数随着运动强度增加而增加。超重/肥胖大学生在高强度（70%最大运动负荷）时，心输出量上升幅度显著小于正常组。过多的体重在运动中会增加心脏的负荷，减少了超重/肥胖大学生运动时心输出量增加的幅度。正常组与超重/肥胖组的脑前额叶中O2Hb随着运动强度增加逐渐上升，在70%最大运动负荷后下降，tHb则是逐渐上升至最大运动负荷，但超重/肥胖组在50%最大运动负荷时，tHb上升幅度显著小于正常组。