2. 400038 重庆，陆军军医大学：高原军事医学系高原特需药品与器材研究室;
3. 400038 重庆，陆军军医大学：极端环境医学教育部重点实验室，全军高原医学重点实验室;
4. 857000 西藏日喀则，陆军军医大学第二附属医院日喀则分院
2. Institute of Medicine and Hygienic Equipment for High Altitude Region, Army Medical University(Third Military Medical University), Chongqing, 400038;
3. Key Laboratory of Extreme Environmental Medicine of Ministry of Education, Key Laboratory of High Altitude Medicine of PLA, Faculty of High Altitude Military Medicine, Army Medical University(Third Military Medical University), Chongqing, 400038;
4. Shigatse Hospital of Second Affiliated Hospital, Army Medical University(Third Military Medical University), Shigatse, Tibet Autonomous Region, 857000, China
高原低氧环境下人的运动体能明显下降，严重削弱高原军人的作业能力[1]。高原体能下降具有普遍性，即使在较低的海拔和不出现急慢性高原病的情况下，也会出现明显的体能下降，以有氧运动能力的降低为主[2-3]。一般初入高原时体能下降最明显，随着对低氧的习服可以有所恢复，但始终达不到其在平原的水平[4]。
高原环境下体能的下降程度与海拔高度、机体的缺氧程度、个体体质等因素有关。从维护军事作业能力的角度，准确客观评价高原军人群体与个体的体能，有利于指导部队合理科学训练和预防过度疲劳与机体损伤，有利于采取针对性的卫生防护措施，也有利于因人施训和特殊岗位人员选拔，对维护部队在高原的战斗力具有重要意义。
由于高原体力负荷时机体呼吸、循环各系统代偿变化与生理调节不同于平原，高原环境运动负荷下心率、血氧饱和度等生理指标的变化有其特殊规律，这导致平原常规基于运动心率计算的最大摄氧量、PWC150/170、心功能指数等有氧运动能力评价指标可能不适用于高原。血氧饱和度作为能指示高原低氧环境下静息和运动状态时机体缺氧程度的简单指标，其在评价有氧运动能力方面的可靠性也尚无系统研究。因此，本研究旨在综合比较上述系列指标评价常驻高原军人有氧运动能力的准确性。
1 对象与方法 1.1 研究对象2017-2018年对常驻青藏高原3个海拔高度的移居高原青年军人240人(包括海拔3 850 m地区110人，4 100 m地区68人和4 550 m地区62人)，作为对照的常驻平原地区(< 500 m)青年军人78人进行了研究。高原军人高原居留时间在8个月至12年之间，各海拔平均高原居留年限无显著差异。各组年龄均在18~30岁之间，组间平均年龄、身高和体质量无显著差异。
1.2 研究方法受试者被组织进行两项运动，一项是踏阶运动，采用40 cm高的踏凳分别以22.5/min和30/min的踏阶速率(左右脚分别上下为1次)进行两次不同运动功率的定量负荷运动，每次踏阶5 min，两次踏阶间隔30 min以上。另一项运动是全力3 000 m跑。踏阶测试和3 000 m跑分别安排在一天的上午和下午进行。在两项运动的基础上进行下列指标的检测和计算。
1.2.1 心率170/min和150/min对应体力作功能力(Physical work capacity at heart rate of 170/150 beat/minute，PWC170/150)使用V800胸带式心率表(Polar，芬兰)，测得受试者在两次不同负荷(22.5和30次/min)的5 min踏阶运动最后即刻心率，按照直线方程，换算每分钟170次或150次运动心率时所对应的运动负荷功率(kg.m/min)。
1.2.2 最大摄氧量(maximal oxygen consumption, VO2max)按照军标GJB1337-92进行求算，按踏阶次数22.5次/min，阶高40 cm进行踏阶运动5 min后，根据即刻心率(HR)及体质量(BW)间接计算最大摄氧量，其计算公式是VO2max(mL/min·kg)= 10(0.438621-0.002626HR+0.006238BW)×1 000/BW。
1.2.3 台阶指数受试者以22.5/min的频率进行40 cm高踏阶，持续5 min。运动结束后，受使者坐在椅子上休息，测心率恢复期第2、3、4分钟的每分钟后30 s心率计为P1、P2、P3。台阶指数= ×2。
1.2.4 踏阶运动前后血氧饱和度的变化ΔSaO2分别在静息状态和两级踏阶运动结束即刻使用Tuffsat手持指夹透射血氧饱和度仪(GE Datex Ohmeda，美国)检测指端动脉血氧饱和度，计算每名受试者不同负荷运动前后血氧饱和度降低值。
1.2.5 3 000 m跑完成时间与自觉用力程度共有3 850 m组中的110人和4 100 m组中的36人(合计146人)进行了3 000 m跑测试。测试时，按照每组20人组织受试者在训练场或平坦公路上完成3 000 m全力跑，记录从起点到终点完成时间，到达终点稍作休息后使用Borg自觉用力程度(rating of perceived exertion，RPE)量表，在专业人员的解释下，完成3 000 m跑过程中的主观困难调查，该量表根据体力活动中的自我感觉从轻松到费力分为15个等级，分别计6~20分。
1.2.6 运动后血乳酸与心肌酶谱所有受试者在第二次踏阶运动后使用采血针刺破指尖皮肤，采集指血后使用EKF Lactate便携式乳酸分析仪(Scout，德国)及配套测试试纸进行血乳酸的快速测定，共测2次取平均值。同时完成踏阶测试和3 000 m跑的高原受试者，于第二日的清晨，采集空腹静脉血5 mL，包括3 850 m组89人和4 100 m组36人(合计125人)，血液标本静置后分离上层血清，使用ELISA试剂盒(R & D，美国)进行血清肌酸激酶同工酶(MB isoenzymes of creatine kinase，CK-MB)水平的检测。
1.3 统计学处理应用SPSS 13.0软件完成数据统计分析，数据以x±s表示，组间比较进行单因素方差分析，均值间两两比较采用LSD法。不同指标间的相关分析采用Pearson或Spearman相关分析法。
2 结果 2.1 久居不同海拔高原环境对运动前后心率的影响如表 1所示，久居高原环境时静息心率与平原相比显著增高(P < 0.01)，但在3 850、4 100和4 600 m组间无差异。在较低运动负荷(22.5/min踏阶)下，各海拔高原组运动结束后即刻心率均显著高于平原组(P < 0.01)，且4 100 m组和4 550 m组显著高于3 850 m组(P < 0.05)，但4 100 m和4 550 m两组间无差异。在较高运动负荷(30/min踏阶)时，虽然各海拔高原组运动结束后即刻心率非常显著高于平原组(P < 0.01)，同时相比于同海拔较低运动负荷踏阶时有显著增高。但是，在30次/min踏阶负荷时，随着海拔的增高，4 100 m和4 550 m两组的运动心率相比于3 850 m反而有显著下降(P < 0.01)。
| 组别 | n | 静息HR | 22.5次/min× 5min踏 阶踏阶后即刻HR |
踏阶后第 1.5~2 min HR |
踏阶后第 2.5~3 min HR |
踏阶后第 3.5~4 min HR |
30次/min×5 min踏阶 踏阶后即刻HR |
| 平原 | 78 | 69.6±6.8 | 116.2±8.8 | 88.7±11.5 | 77.1±9.5 | 72.5±7.8 | 139.9±15.1 |
| 3 850 m | 110 | 76.6±8.3a | 135.2±15.6a | 102±17.5a | 90.8±16.9a | 88.3±13.5a | 164.7±15.0a |
| 4 100 m | 68 | 76.3±7.4a | 139.2±12.3ab | 103.7±16.5a | 92.4±13.5a | 89.2±10.9a | 157.4±15.6ac |
| 4 550 m | 62 | 76.7±7.9a | 140.7±12.4ab | 104.3±18.1a | 94.5±13.7ab | 92.3±11.5ab | 158.9±12.4ac |
| a: P < 0.01, 与平原组比较；b: P < 0.05, c: P < 0.01, 与3 850 m组比较；d: P < 0.05, 与4 100 m组比较 | |||||||
对不同海拔运动后恢复期心率的测试表明，高原运动结束后第2、3、4分钟的心率显著高于平原(P < 0.01)，且总体上随着海拔上升呈现增高的趋势，在4 550 m时，运动后第3、4分钟的心率显著高于3 850 m(P < 0.05)。
2.2 常驻不同海拔高原环境下由运动心率衍生的运动能力系列评价指标的比较如表 2所示，根据军标采用22.5/min踏阶5 min后的即刻心率估算最大摄氧量，结果表明，常驻各海拔高原军人VO2max相比平原均有显著下降(P < 0.01)，4 100 m和4 550 m相比3 850 m下降更显著(P < 0.05)，但4 550 m与4 100 m两组间无差异。
| 组别 | n | 估算VO2max(ml/kg·min) | PWC150(kg·m/min) | PWC170(kg·m/min) | 台阶指数 |
| 平原 | 78 | 47.42±4.38 | 859±232 | 1 089±256 | 64.95±6.15 |
| 3 850 m | 110 | 43.65±3.28a | 713±177a | 802±216a | 57.30±6.56a |
| 4 100 m | 68 | 41.56±4.68ab | 743±159a | 857±193ab | 53.81±6.89ab |
| 4 550 m | 62 | 41.29±3.56ab | 714±145a | 849±190ab | 51.50±8.44acd |
| a: P < 0.01, 与平原组比较；b: P < 0.05, c: P < 0.01, 与3 850 m组比较；d: P < 0.05, 与4 100 m组比较 | |||||
根据两级运动负荷下的心率推算PWC150和PWC170，结果表明，尽管3个高原组PWC150和PWC170均低于平原(P < 0.01)，但不同海拔间的PWC150的计算结果无差异，4 100 m和4 550 m组的PWC170的计算结果甚至高于3 850 m(P < 0.05)。根据22.5/分踏阶运动结束后第2~4分钟的恢复期心率计算的台阶指数结果表明，高原各组台阶指数相比于平原均显著下降(P < 0.01)，且在3 850、4 100和4 550 m各海拔梯度间均有统计学差异(P < 0.05)。
2.3 不同海拔高原环境下运动前后血氧饱和度的变化如表 3所示，久居高原者静息状态下的血氧饱和度显著低于平原(P < 0.01)，4 100、4 550 m相比与3 850 m更低(P < 0.01)。相比于静息状态，运动负荷下的血氧饱和度随着高原海拔的增高呈现更大的程度的下降，各海拔组间均有差异(P < 0.05)，且运动负荷越大，高原运动负荷后血氧饱和度相对越低。对运动前后血氧饱和度的变化绝对值ΔSaO2分析发现，其随着海拔高度和运动负荷的增高而增大，在平原、3 850 m、4 100 m、4 550 m四个海拔高度中每两个相邻海拔间均有显著差异(P < 0.05)。
| 组别 | n | 静息SaO2 | 踏阶后 即刻SaO2 |
22.5次/min×5 min 踏阶踏阶后ΔSaO2 |
踏阶后 即刻SaO2 |
30次/min×5 min 踏阶踏阶后ΔSaO2 |
| 平原 | 78 | 97.6±0.8 | 96.9±0.9 | 0.8±1.2 | 96.5±0.8 | 1.1±1.0 |
| 3 850 m | 110 | 91.7±1.4a | 88.5±2.6a | 3.3±2.8a | 87.3±2.0a | 4.5±2.4a |
| 4 100 m | 68 | 89.3±2.2ac | 84.6±3.6ac | 4.7±2.6ac | 83.7±4.6ac | 5.6±3.8ab |
| 4 550 m | 62 | 89.1±2.1ac | 83.0±3.8acd | 6.1±2.7ace | 81.7±3.2ace | 7.3±2.9ace |
| a: P < 0.01, 与平原组比较；b: P < 0.05, c: P < 0.01, 与3 850 m组比较；d: P < 0.05, e: P < 0.01, 与4 100m组比较 | ||||||
2.4 各有氧运动能力指标与3 000 m跑成绩及主观费力程度的相关性
在3 850 m和4 100 m组，共有146人完成了3 000 m跑测试，将3 000 m跑完成时间和评价完成3 000 m跑过程中主观困难程度的RPE分数与有氧运动能力评价指标VO2max、PWC150、PWC170、台阶指数和不同体力负荷下的SaO2变化值进行相关性分析，结果发现(表 4)：个体VO2max值越大，3 000 m跑成绩相对越好(P < 0.05)，但与3 000 m跑过程中的主观困难程度没有相关性。PWC150、PWC170与3 000 m跑完成时间及RPE评分均无相关性。台阶指数与3 000 m跑成绩和RPE评分均有轻度的相关性(P < 0.05)。在所有指标中，与3 000 m跑成绩和RPE评分同时具有良好相关性是踏阶测试后的SaO2降低值(P < 0.05)。
| 组别 | 3 000 m跑完成时间 | 3 000 m跑RPE评分 | |||
| r | P | r | P | ||
| 估算VO2max | -0.193 | 0.037 | -0.186 | 0.061 | |
| PWC150 | -0.166 | 0.108 | -0.178 | 0.144 | |
| PWC170 | -0.063 | 0.411 | -0.058 | 0.379 | |
| 台阶指数 | -0.225 | 0.040 | -0.265 | 0.033 | |
| 22.5次/min×5 min 踏阶ΔSaO2 |
0.361 | 0.021 | 0.428 | 0.002 | |
| 30次/min×5 min 踏阶ΔSaO2 |
0.427 | 0.016 | 0.495 | 0.000 | |
2.5 各有氧运动能力指标与运动后血乳酸和心肌酶CK-MB的相关性
将3 850~4 550 m高原军人240人的运动后血乳酸，以及其中3 850、4 100 m共125人的血浆肌酸激酶同工酶MB亚单位(CK-MB)浓度与各运动能力评价指标进行相关性分析，结果如表 5所示：VO2max值与血乳酸未发现相关性，但与血CK-MB水平轻度相关(P < 0.05)；PWC150、PWC170与运动后血乳酸和CK-MB均无相关性；台阶指数与血CK-MB有负相关性(P < 0.05)。两次踏阶测试后的SaO2降低值，与血乳酸和心肌酶CK-MB均呈现出较强的正相关性(P < 0.01)。
| 组别 | 运动后血乳酸(n=240) | 心肌酶CK-MB(n=125) | |||
| r | P | r | P | ||
| 估算VO2max | -0.131 | 0.115 | -0.172 | 0.041 | |
| PWC150 | -0.157 | 0.108 | -0.160 | 0.062 | |
| PWC170 | 0.057 | 0.389 | -0.089 | 0.160 | |
| 台阶指数 | -0.104 | 0.276 | -0.273 | 0.014 | |
| 22.5次/min×5 min 踏阶ΔSaO2 |
0.421 | 0.000 | 0.285 | 0.008 | |
| 30次/min×5 min 踏阶ΔSaO2 |
0.396 | 0.000 | 0.334 | 0.002 | |
3 讨论
本课题组系统比较了常规基于运动过程中心率变化的系列有氧运动能力评价指标，以及运动负荷下的血氧饱和度变化值用于评价高原有氧运动能力的可靠性。结果发现，由于高原低氧环境下人体运动生理的特殊性，部分常规有氧运动能力评价指标，如PWC150/170可能不适合于高原。运动负荷下的血氧饱和度降低值用作高原环境尤其是较高海拔时的有氧运动能力评价，在准确性上总体优于利用运动后心率估算的VO2max，也优于利用恢复期心率计算的台阶指数。
在评价有氧运动能力方面，VO2max是公认最客观的指标，其反映与体能耐力密切相关的肺通气与弥散能力、心脏泵血功能、血液载氧能力和骨骼肌特性等[5]。但直接最大摄氧量对仪器设备要求较高，且要求受试者进行力竭运动，在高原实施存在一定难度和安全风险。测量最大摄氧量的另一个替代方法是用耐力运动成绩(如国际上常用12 min用力跑距离[6])或用耐力运动后的心率(如军标中的5 min踏阶后心率)进行估算。类似地，常用的评价有氧运动能力的指标还包括由运动后心率衍生出的PWC170和PWC150，或根据运动后恢复期心率计算的台阶指数(又称心功能适应指数)等。这些指标本质上都是根据生理数据估算有氧运动能力，虽然简单，但与受试者实际体能存在一定偏差。此外，我军曾制定了《高原士兵体能评价标准》(GJB 2559-1996)，其根据静息时的肺活量和心率来估算VO2max，虽然规避了高海拔体能测试时剧烈活动所带来的安全隐患，但多年来发现高原静息时的生理指标并不能很好反映个体的运动储备能力。
本研究利用踏阶测试过程中的心率，比较了VO2max、PWC170、PWC150、心功能指数等指标在常驻不同海拔军人中的差异。结果发现，VO2max和心功能指数的变化，符合随着高原海拔高度的增高有氧运动能力逐渐下降这一客观事实。但军标计算VO2max和心功能指数所要求踏阶频率较低，严格说并不能代表机体承担重体力活动的能力。相比之下，PWC150/170的测试涉及较重的体力负荷，但是，本研究实际测得的PWC150在4 100 m、4 550 m和3 850 m却无差别，PWC170在4 100 m以上的两个海拔高度甚至好于3 850 m，这不符合实际情况。究其原因，是由于PWC150/170的测定原理是依据两级运动负荷下心率的直线方程求得，在较高海拔时，由于缺氧条件下机体的内环境调节和心脏的自我保护机制[7-9]，许多人的心率不能像低海拔时那样随运动强度增大升高达170/min以上，而是升高到大约150/min后不再上升。有研究观察到高原战士进行5 km跑时，从始至终最大心率都低于平原相应的水平[10]，这是制约高原极量运动能力的重要因素之一。因此，在较高海拔亚极量以上运动强度时，运动心率的变化并不能真实体现体力负荷强度和运动困难程度。
本研究结果表明，高海拔运动负荷下的SaO2既大幅低于同海拔静息时的水平，也显著低于低海拔时相同运动负荷下的血氧水平。运动前后SaO2下降值与海拔高度和运动负荷均呈现很好的线性关系，即海拔越高，体力负荷越大，SaO2下降得越显著。总体上，运动前后血氧饱和度的差值能够很好地吻合不同海拔高原体力劳动能力下降的趋势，是一个较好的高原体能评价潜在指标。SaO2主要取决于肺泡通气量(VA)与氧分压、肺血流量(QL)、VA与QL的匹配度、肺内静脉分流率、肺弥散能力(其取决于肺泡毛细血管界面的大小、肺泡膜和毛细血管膜的性质，以及肺毛细血管的血容量)以及血红蛋白对O2的亲和力等。在平原地区进行体力活动时，需氧量增加，机体可通过代偿调节呼吸和循环功能，提高氧气的摄取和交换，基本可维持运动时机体的氧平衡，SaO2不变或仅有轻度下降。但在高原环境下运动时，由于环境氧分压的下降、肺对氧气的弥散动力下降和心脏代偿功能受限等原因[11-12]，使运动负荷下血液内氧含量明显降低。在高原运动时，导致机体不能对SaO2有效代偿，主要有以下方面原因：一是高原低氧时呼吸肌剧烈做功后易发生疲劳，同时心肺生理负荷增大后胸腹协调性降低，加之呼吸节奏紊乱，使运动时通气不足[13]；二是由于高原最大心率及心脏每搏输出量的限制，运动时心输出量的加大可能跟不上肺通气量的增加，通气血流比值升高，部分肺泡得不到充分血液灌流；三是久居高原者在慢性缺氧条件下还存在不同程度的肺动脉压增高和红细胞增多，这些因素使肺血流重新分布和静脉分流增加，导致通气和灌流不适宜情况加重，肺弥散受限等，进一步使肺血氧合效率和SaO2下降[14]。
3 000 m或5 000 m跑是军人常规体能测试项目，能较好地反映高原官兵实际耐力体能。运动后血乳酸主要反映运动过程中机体的缺氧情况，而血心肌酶CK-MB的水平与慢性缺氧过程中心脏的习服和损伤状况有关。本研究发现PWC150/170、根据军标计算的VO2max和由恢复期心率计算的心功能指数无论与3 000 m跑能力，还是血乳酸和心肌酶或无相关性，或相关性不太理想。令人满意的是，即使在较低负荷的5 min踏阶运动时，运动后的SaO2降低值与3 000 m跑主观和客观难易程度、血乳酸和心肌酶均有良好的相关性，提示心肺功能与有氧代谢储备能力越差者，高原运动后血氧饱和度下降越明显[15-16]。曾也有其他研究观察到血氧饱和度下降程度与高原长跑成绩的关联性[17]。可以认为，高原运动时血氧饱和度的显著下降是机体呼吸系统的通气和换气功能，以及循环系统的泵血和血液运输功能不能满足有氧运动需求后的一个最终综合结果，是个体高原实际有氧运动能力的客观反映[18]。需要指出的是，运动停止后SaO2一般能快速恢复到静息水平，从技术要求上讲，只有在运动过程中实时检测的SaO2，才能有效指示高原环境下的有氧运动能力。因此，部队实际训练中应用该指标时，最好有适合运动状态佩戴、同时在身体移动状态时具备较高准确性的SaO2检测设备可供使用。
总之，本研究发现运动负荷下的血氧饱和度相比静息时的降低值对高原官兵的实际有氧运动能力具有良好指示性，可作为评价高原官兵体能的较理想指标。推广应用该指标，有望对监测常驻高原官兵全维健康，指导高原科学训练和探索高原官兵体力作业效能维护提升措施上发挥较大的作用。
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