不同程度的血流限制對遞增速度跑運動中心肺功能的影響

魏文哲，孫 科，趙之光，丁 萌，王明波，肖卓威

加壓訓練是用專業的綁帶，對上肢或下肢近心端血管施加一定的壓力，使血液循環受到適度限制，并在這種狀態下進行運動的方法。已有研究和實踐證實，這種限制血流的加壓訓練，可以通過很小的負荷（20%～40% 1RM）達到與60%～85% 1RM抗阻訓練相近的增肌效果，且不會引起肌肉損傷（魏佳 等，2019；吳旸 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）。也有研究者進行了在加壓限制血流情況下的周期性有氧運動效果研究，并得出能夠提高肌肉力量和耐力的結論（盛菁菁等，2019；Abe et al.，2006；Mikako et al.，2011；Ozaki H et al.，2011，2017；Park et al.，2010）。

人體血液循環系統的主要功能之一就是進行氧（O2）、二氧化碳（CO2）以及其他代謝產物等的運輸。因此，當對肢體近心端血管施加一定的壓力限制血液循環時，就會造成肢體遠心端供血量的不足和靜脈回心血量的減少。而如果在這種條件下運動，就有可能產生對運動肌肉的供氧不足和乳酸排出困難。

根據生物的適應性原理，如果環境變得嚴酷，生物就會啟動為了適應嚴酷環境而使機能更強的機制。因此，如果在肢體血流受到限制的條件下進行運動，就會迫使人體產生既適應像高原那樣的缺氧環境，又適應因乳酸無法順利排出而造成的酸性環境的機能變化。如為了減少乳酸產生和增加氧的供應，機體會適應性增加毛細血管密度和線粒體數量，從而促進對肌肉的氧供應和有氧代謝能力。而為了更快地排出乳酸，避免酸中毒，肌細胞膜上會適應性增生乳酸轉運酶的數量，以此提高將快肌產生的乳酸轉運到慢肌和心肌分解利用的能力。其結果是人體的有氧代謝能力和消除乳酸能力會得到大幅度的提高。

1 實驗對象與方法

1.1 實驗對象

實驗對象為8名健康青年男性，平均年齡為20.5±3.8歲，身高為187.6±8.6 cm，體重為78.4±11.4 kg，體脂百分比為8.9±5.0%。所有實驗對象均有常年的跑步鍛煉習慣，能夠完成實驗中的跑步要求。

1.2 實驗方法

在腿部捆綁加壓綁帶，并在4種不同氣壓壓力條件下分別進行遞增跑運動，直至力竭。運動中通過運動心肺評估系統（瀚雅運動心肺評估系統Smax58ce，南京）連續測量HR和呼氣成分，運動結束后第2 min，采集指血血乳酸（Lactate Scout血乳酸儀，德國）。具體方法如下：

加壓部位與氣壓壓力：加壓設備采用了寬度為5 cm的專用加壓訓練儀下肢加壓綁帶（KAATSU master，日本）。捆綁壓均采用40 mmHg。加壓帶捆綁于大腿中上1/3處，并與大腿縱軸垂直。加壓帶氣壓壓力分別為80 mmHg、160 mmHg、240 mmHg。作為對照，不捆綁加壓帶記為0 mmHg，以下同。

遞增跑運動方法：在跑步機上，以7 km/h速度運動3 min后，以每分鐘遞增1 km/h速度方式進行遞增速度運動，直至力竭。力竭標準參考了與山地啓司（2001）等其他研究者相近的標準，即出現以下條件中的2個或2個以上：1）受試者不能保持規定的運動速度；2）攝氧量不再增加而出現平臺；3）呼吸商大于1.10；4）運動中HR大于最大推算年齡（220-年齡）-10 bpm；5）運動后血乳酸大于8 mmol/L；6）呼吸頻率大于50次/min。

能量代謝指標采集方法：整個運動過程中，通過運動心肺評估系統連續測量HR和呼氣成分，以攝氧量（）的最大值為，以遞增負荷中出現時的對應速度和HR為速度和HR。無氧閾由兩名有經驗的專業人員共同判斷，判斷方法采用V-slope法（Beaver et al.，1986），將通氣量、CO2排出量發生激增的點定義為通氣無氧閾，將與其對應的、速度、HR為無氧閾、無氧閾速度、無氧閾HR。

為避免多次測試帶來的訓練效應的影響，以及測試間隔時間過長引起的心肺耐力變化，本研究將8名受試者隨機分成4組（A組，B組，C組，D組），間隔48 h進行1次測試。其中A組順序為0 mmHg→80 mmHg→160 mmHg→240 mmHg，B組順序為240 mmHg→160 mmHg →80 mmHg→0 mmHg，C組順序為160 mmHg→80 mmHg→240 mmHg→0 mmHg，D組順序為80 mmHg→ 160 mmHg→0 mmHg→240 mmHg。

1.3 統計分析

本研究的所有數據采用Excel 2016和SPSS 18.0處理，數據結果用平均值±標準差（M±SD）表示。采用配對t檢驗進行組內比較，顯著性差異水平P＜0.05。

2 實驗結果

2.1 不同條件下無氧閾強度各項指標的變化

在無氧閾速度方面，隨著氣壓壓力的增大，呈現下降幅度越來越大的趨勢。且3種加壓條件下的無氧閾速度均顯著低于不加壓條件，而比較3種不同加壓條件之間的無氧閾速度，相互間均具有顯著性差異。其中，160 mmHg時比80 mmHg時下降3.7%（P＜0.001），240 mmHg時分別比80 mmHg時和160 mmHg時下降8.1%（P＜0.001），4.6%（P＜0.001）。在無氧閾V.O2方面，與無氧閾速度的變化相似，但下降幅度小于無氧閾速度，且80 mmHg與不加壓的0 mmHg條件相比無顯著差異。而比較3種加壓條件下的無氧閾V.O2，240 mmHg 時比80 mmHg時相比下降6.4%，并有顯著差異（P＜0.01），160 mmHg時與其他加壓條件時則無顯著差異（P＞0.05）。在無氧閾HR的比較方面，4種條件下均無顯著差異（表1）。

表1 不同加壓壓力條件下無氧閾出現時各項指標的差異Table 1 The Differences of Indicators of Anaerobic Threshold among Different Pressure of Blood Flow Restrictions

為了便于觀察不同加壓條件與無氧閾速度下降幅度的關系，將不同氣壓壓力作為橫坐標，將無氧閾速度下降幅度作為縱坐標，繪制了散點圖和趨勢線（圖1），無氧閾速度下降幅度和氣壓壓力的回歸方程為y=-0.0005x-0.015。

汽車的燃油經濟性可以用百公里油耗進行推算，而人的跑步經濟性，也可以用每公里消耗的氧氣量（每公里）來計算。此外，在相同時，每公里的心臟搏動次數還可以反映心臟的工作效率（即每搏輸出量的大小）。

圖1 不同壓力的血流限制與無氧閾速度的下降率Figure 1. Reduction Rate of Anaerobic Threshold Velocity under Different Pressure Blood Flow Restrictions

表2 不同壓力條件下無氧閾強度出現時每公里和每公里心臟搏動次數的差異Table 2 The Differences of Oxygen Uptake Per Kilometer and Heart Beats Per Kilometer of Anaerobic Threshold under Different Pressure Blood Flow Restrictions

表2 不同壓力條件下無氧閾強度出現時每公里和每公里心臟搏動次數的差異Table 2 The Differences of Oxygen Uptake Per Kilometer and Heart Beats Per Kilometer of Anaerobic Threshold under Different Pressure Blood Flow Restrictions

注：計算時除去了安靜代謝的攝氧量和心率；**表示P＜0.01，下同。

加壓壓力/mmHg每公里V.O2/（ml/kg·km）每公里V.O2變化率/%每公里心臟搏動次數次/ km每公里心臟搏動次數變化率/%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 不同條件下強度各項指標的變化

表3 4種不同加壓壓力條件下V.O2max出現時各項指標的差異Table 3 The Differences of Indicators of Maximal Oxygen Uptake among Different Pressure of Blood Flow Restrictions

圖2 不同壓力的血流限制與速度的下降率Figure 2. Reduction Rate of Maximum Oxygen Uptake Velocity under Different Pressure Blood Flow Restrictions

2.3 不同條件下力竭速度、最大通氣量、HRmax及運動后血乳酸的變化

在力竭速度方面，與不加壓的0 mmHg條件相比，80 mmHg、160 mmHg、240 mmHg這3種加壓條件下的力竭速度均顯著降低，顯示出加壓壓力越大，力竭速度下降幅度越大的趨勢。再比較3種加壓條件之間的力竭速度，在160 mmHg和240 mmHg壓力條件下顯著低于80 mmHg壓力條件，分別下降3.8%（P＜0.05）和6.7%（P＜0.01），而160 mmHg和240 mmHg壓力條件之間則無顯著差異（P=0.0910）。在最大通氣量、HRmax和運動后血乳酸方面，4種條件下均無顯著差異（表4）。

3 討論

為了解不同程度的血液循環限制對運動心肺功能產生的影響，本研究在遞增負荷運動過程中對受試者進行了不同程度的血流限制，并觀察分析了在無氧閾強度、強度和力竭速度時各項相關指標的變化。

3.1 無氧閾強度時各項指標的變化分析

無氧閾的概念由Wasserman等（1964）提出的，是指在遞增負荷運動過程中，隨著運動強度的增大而開始發生乳酸堆積、二氧化碳排出量和通氣量激增的臨界點。而體內乳酸的堆積主要由兩個因素決定：一是對肌肉的氧供應量； 二是乳酸的排出速度。

表4 不同壓力條件下力竭速度、最大通氣量、HRmax及運動后血乳酸的差異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和圖1所示，在4種不同加壓壓力條件下，無氧閾速度出現了隨著氣壓壓力的增大而下降的趨勢，且不同壓力條件間均具有顯著性差異。在遞增速度跑運動過程中，加壓引起的無氧閾速度的改變主要因素有兩方面：一是捆綁加壓帶本身造成的跑步技術動作改變帶來的能耗變化；二是加壓限制血流造成的供氧和乳酸排出速度變化。而這兩方面的影響幅度可以通過圖1中無氧閾速度下降幅度和氣壓壓力的回歸方程y=-0.0005x-0.015來了解。在該公式中，b值-0.015（-1.5%）代表與Y軸的交點，說明，捆綁加壓帶本身造成的無氧閾速度下降幅度約為1.5%（換算成速度為12.9 km/h×1.5%=0.19 km/h）。而a值-0.0005則代表著氣壓每升高1 mmHg會使無氧閾速度下降0.05%（或者說每升高100 mmHg的氣壓壓力下降5%，換算成速度為12.9 km/h×5%=0.65 km/h）。

氣壓壓力限制血流造成的無氧閾速度的下降是由于對肌肉的氧供不足，還是由于乳酸無法順利排出？為了解答這個問題，本研究比較了4種不同氣壓壓力條件下無氧閾速度時的每公里和每公里心臟搏動次數。

而為了觀察無氧閾速度的下降是否由乳酸無法順利排出所引起，本研究又進行了每公里心臟搏動次數的比較。每分輸出量是每搏輸出量和HR的乘積。在HR達到110次/min之前，每分輸出量主要靠每搏輸出量和HR的同步增加。而當HR達到110次/min左右時，每搏輸出量會達到最大并保持恒定，此后每分輸出量的增加主要依賴于HR的增加。也就是說，運動中HR超過110次/min后，當完成的總功或相同時，可以通過對應的心臟搏動總次數，觀察心臟每搏輸出量的大小。

與先行研究結果相似（飯田陽子 等，2008；石井直方，2004；中島敏明，2007），在本研究中，每公里心臟搏動次數出現了隨加壓壓力增大而逐漸增加的趨勢。相對于不加壓條件，在80 mmHg、160 mmHg、240 mmHg這3種加壓條件下，每公里心臟搏動次數分別顯著提高8.8%，11.2%和12.6%（P＜0.01），遠大于的提高幅度（4.0%，4.9%和5.2%）。說明，在加壓條件下HR升高的原因之一是隨著壓力的升高出現的每搏輸出量的減少，而每搏輸出量的減少，則源于靜脈回血量的減少。也就是說，對下肢近心端加壓會使靜脈回流受到限制，而靜脈回流受限會使乳酸等酸性物質因無法通過靜脈順利排出而出現堆積，并造成無氧閾的提前到來。

如前文所述，捆綁加壓帶本身造成的能耗增加、限制血流造成的對肌肉氧供不足和乳酸堆積均有可能造成速度和的下降。

前文已經論述，每分輸出量是每搏輸出量和HR的乘積。當HR達到110次/min之后，每搏輸出量會達到最大值，每分輸出量的增加主要依賴于HR的增加。但由于每個人的HRmax存在上限，因此，當達到HRmax后，每分輸出量將無法繼續隨運動強度的增加而增加，而肌肉也因此無法通過更多的血量獲得氧氣（血液運輸來的氧氣），這時就會出現平臺。一般將這個平臺出現時的稱為最大。

如同在前文中的分析，加壓造成的血流限制，會使靜脈回流減少，造成每搏輸出量的降低。而這會引起同等速度下的HR提高。也就是說，在遞增負荷運動過程中，加壓造成的血流限制會使HRmax提前到來。由于HRmax無法進一步上升，因而HRmax的提前到來也意味著每分輸出量也將提前達到最大值，并小于不加壓時的每分輸出量最大值（因為加壓造成靜脈回流減少，每搏輸出量最大值變小，而HRmax相同，代表二者乘積的每分輸出量最大值也變小）。而這會使HR達到最大時供應給肌肉的總血量減少，進而引發對肌肉氧供的不足，并導致值的減小和速度的提前出現。

與無氧閾速度降低的原因一樣，加壓造成的靜脈回流的減少，會使肌肉產生的乳酸出現排出困難而更早地發生堆積，引發疲勞的提前出現。因此，加壓條件下的減少和速度的降低，是由于對肌肉的氧供不足和乳酸的提前積累兩方面原因造成的。

再比較不同加壓壓力下，最大通氣量和運動后第2 min血乳酸的變化，可以發現，在4種條件下，二者均未發生顯著變化。這說明，雖然在加壓條件下，乳酸的堆積和最大通氣量會提前到來，但并不會使力竭時的最大乳酸濃度和最大通氣量發生改變。

在加壓條件下跑步，由于乳酸不易排出，因而可以在絕對速度相對較低的條件使乳酸快速堆積，從而達到在肌肉和關節不承受更大沖擊的條件下，刺激與有氧代謝和乳酸排出相關的毛細血管數量、乳酸轉運酶數量增多的目的。此外，雖然還有待進一步研究論證，但由于在加壓條件下會出現乳酸排出困難，因而，如果在加壓跑步后，并不馬上解除壓力，而是繼續保持加壓狀態，也有可能獲得更長的乳酸堆積效應，并獲得更好的鍛煉效果。

4 本研究的局限性

由于實驗對象較少，僅為8人，因而研究得出的結論其適用范圍還有待通過增加不同類型的實驗人數進一步明確。此外，除氣壓壓力外，不同的加壓帶寬度、捆綁壓力均會對限制血流的效果產生影響，因而本研究的結果只適用于5 mm寬度加壓綁帶、40 mmHg捆綁壓力條件。

5 結論