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1、运动生理学实验理论,最大摄氧量、无氧阈的测量与分析 运动生理学教研室,一、最大摄氧量概述 二、最大摄氧量的测试发展 三、最大摄氧量的应用 四、最大摄氧量的测试负荷 五、最大摄氧量的计算 六、大鼠的最大摄氧量测定 七、无氧阈的测试与分析,一、最大摄氧量概述,（一）摄氧量：单位时间内，机体摄取并被实际消耗或利用的氧量称为摄氧量。安静时为200-300毫升/分。 （二）最大摄氧量的概念及正常值 指人体在进行有大量肌肉群参加的长时间剧烈运动中，当心肺功能和肌肉利用氧的能力达到本人极限水平时，单位时间内所能摄取的氧量。 男子绝对值：3.0-3.5L/min 相对值：50-55ml/kg/min 女子绝对
2、值：2.0-2.5L/min， 相对值：40-45ml/kg/min,（三）无氧阈(Anaerobic threshold, AT) 是指人体内的代谢方式由有氧代谢开始向无氧代谢过渡的临界点。与最大摄氧量相比，无氧阈更能反映人体的有氧工作能力，因为人体在达到最大摄氧量之前就已经转向无氧代谢了。无氧阈时血乳酸、心率、肌分肌电图等指标也均有明显的增加现象。,（四）决定最大摄氧量的机制是： a. 最大摄氧量的中枢机制主要是心脏的泵血功能（包括心肺机能、血红蛋白含量等。最大摄氧量与血红蛋白总量之间相关系数高达成0.97）； b. 最大摄氧量的外周机制是身体各组织细胞（主要是肌细胞）摄取与利用氧的能力（
3、包括肌纤维类型、线粒体数量体积和毛细血管分布等）。 c.其它因素,1.氧运输系统对VO2max的影响,不同项目运动员慢肌纤维百分比和VO2max,2.肌组织利用氧对VO2max的影响,3.其他因素对VO2max的影响,(1)遗传因素 VO2max的遗传度为93.5% (2)年龄、性别因素,最大摄氧量的年龄、性别变化,(3)训练因素,不同运动项目运动员的VO2max比较 左图女子 右图男子,二、最大摄氧量的测试发展,1、化学分析 何氏（ Haldane ）气体分析仪 主要部件是一根量气管，其总容积为10ml，最小刻度值为 0.01ml。由此可见，这种仪器的最小检测量为 0.1% ，因此，其分析准
4、确度只能低于等于 0.1% 。 用焦性没食子酸溶液做氧吸收剂； 用氢氧化钾做二氧化碳吸收剂。,Douglas气袋采气,2、气体代谢仪 德国耶格（Jeager） 美国Physio-dyne公司 MAX-II 德国Cortex心肺功能测试仪 3、混合袋（室）到Breath by Breath 经典方法为混合室法，特点是无论在小通气量还是大通气量时都可保证气体分析的准确性。 Breath by Breath,对大通气量可能有一定误差。,混合室 ,美国Physio-dyne公司 MAX-II,德国Cortex心肺功能测试仪,三、最大摄氧量的应用,1、运动研究 不同专项运动的生理代谢情况 评估训练方法和
5、技术对运动员运动能力的影响 根据生理反应评价营养补充方法 运动员选材 2、职业健康 在工作场所确定不能承受工作负荷的原因,运动员选材与机能评价,800米游泳成绩与VO2max相关系数为-0.75； 5000米跑成绩与VO2max相关系数为-0.81。,3、康复研究 改良练习程序，获得最佳治疗效果； 评价和记录改善情况，激励患者治疗信心 早期发现心肺系统损害； 评价患者日常生活、工作或休闲活动（如旅游、运动）时的功能能力。,伤后康复,减肥研究,四、最大摄氧量的测试负荷,1、直接测定 固定跑道坡度3；实验以极限下负荷开始（也可以做为准备活动），增加工作负荷时可以采用的方法： a. 即刻加负荷到最大
6、； b.逐级加大（极限下、极限或超极限），每种负荷5-6分钟，负荷间可休息也可不休息； c. 每分钟或每隔一分钟逐步增加到疲劳为止。 一般认为最好为第二种，因人体可在4分钟内达稳定工作状态。,达到最大摄氧量的判定标准： 心率达180次/分(儿少达200次/分) 呼吸商(RQ)达到或接近l.15（少儿大于1.00） 摄氧量随运动强度增加而出现平台(差值下于150ml/min或2ml/kg.min或下降 受试者已发挥最大力量并无力保持规定的负荷即达精疲力竭 血乳酸大于7-8mmol/L,实验注意事项,1、测试前应提前30分钟预热测试仪器，并在测试前校在通气量、O2浓度、CO2浓度测试系统，以保证测
7、量的准确性。 2、受试者要在跑台上进行适应性练习，并进行准备活动。 3、测试时注意在跑台上进行实验的受试者安全，要有专人负责跑台跑速的控制，以免受试者达力竭时摔伤。 4、测试结束后，注意实验数据的存贮。,2.间接推算法,（1）、列线法 台阶高度 男子：40厘米 女子：33厘米 登台阶的频率为22.5次分 总时间是5分钟 记录负荷后第一个10秒的心率。,（2）12分钟跑,The Cooper Endurance VO2max Test VO2 max（12分钟跑距离504.9）/44.73 台湾林伟立（1974）针对大学生的预测公式 最大摄氧量（毫升/公斤/分）0.02 跑步距离（米）3.47
8、如果你今年35岁，12分钟跑的距离是2400米，代入上一公式，即得最大摄氧量每公斤体重每分钟 44.53毫升。 较适合年轻人或体能较佳者；年纪大或体能差的可使用登阶测验。,The Cooper Endurance VO2max Test（12min跑：12min内尽可能跑较长的距离，以此换算出最大摄氧量）,五、最大摄氧量的计算,（一）、最大摄氧量的计算原理 通过测定通气量及呼出气中的氧和二氧化碳的含量，得出摄氧量、二氧化碳排除量等各项气体代谢的参数。 （1）标准气样校准O2和CO2测试系统 （2）注射器校准通气体积 （3）环境温度、气压计算标准状态气体体积,1、通气量的测定与计算,一般为利用流
9、速式流量计测定，即先测出流经截面积一定的管路的流体速度，然后根据时间求出流量，也称为间接测量式流量计。 （1） 压差式流量计： 筛状隔网，气流通过该网时受网的阻力而流速下降，结果使网眼的另一端的压力轻微下降。网眼两端形成压降差。压差传感器可据此压差感应，产生电信号。流量计上的加热器可加温毛细网，避免呼出的饱和水蒸汽在筛状隔网上冷凝沉积，阻塞网眼。 该隔网清洁消毒较为困难，另外在高流量测定时误差偏大。,（2）热敏式流量计(thermal flowmeter)： 核心部分为温度依赖性电阻元件，热线(hot wire)或热珠(thermistor bead)接通电源时该元件加温，当气流通过热敏件时可
10、使其温度下降，并改变电阻(热珠温度下降时电阻增加，热线温度下降时电阻减少)。维持热线温度的电流的变化与气体流速成正比。 热线式传感器易受外环境因素影响，如气压的改变，海拔高度，气体密度(如呼出气氧浓度不同)等，测量值要进行标化补偿，温度、压力修正。此外该传感器在低流量测定时线性反应稍差。,（3） 叶轮式和涡轮式流量计 叶轮或涡轮的转动速度与流体速度成正比的特性进行测量。 叶轮式采用光电调调制原理，通过光电效应，涡轮式采用磁电调制原理，通过磁电效应，把叶轮或涡轮的机械转动信号转换成电信号输出。 由于叶轮的运动惯性和转轴与轴承间摩擦力矩等因素，会影响传感器的精度。此种误差部分可通过电子线路予以补偿
11、。但气流停止通过时涡轮仍可有惯性转动而发生误差，且不能内定标，是其缺点。,用注射器对气体流量计进行校正,2、气体成分测量计算,目前常用的气体分析仪按其分析原理可分为以下数种： （1） 物理气体分析仪：如顺磁性氧浓度计，当氧分子通过一磁场时，在磁场力的作用下，因氧有顺磁性，向磁力强区聚集，而非磁性气体如氮气则聚向弱磁区。 （2） 红外CO2监测仪：利用CO2对红外线的吸收原理检测。,（3） 电化学分析仪：基本测量系统包括电解质溶液、电极、及测量电路。一旦启用，由于不断进行的化学反应消耗电解质溶液和电极，此传感器使用寿命较短(一般半年至一年)。 （4） 质谱仪：中性的气体原子在电子被俘获后形成离子
12、，在磁场力的作用下发生偏传，不同的气体偏转角度各异。利用此原理可将各气体组分分开并定量测定。 （5） 气相色谱仪：利用混合气体中各组分在互不相溶的二相之间分配的差异而使各气体成分分离。,高值标准气的浓度为：5.00 %CO2和21.00%O2,低值标准气：为100%氮气，CO2和O2的测试显示值均为0.00。,2、最大摄氧量测量中的评价指标及计算,通气量VE(volume of expired air)计算,一般习惯代谢数据用STPD表达，而通气量值以BTPS表达。而很少有人用ATPS发表数据。 ATPS状态的VE：at ambient temperature, pressure and sa
13、turated with water vapor (ATPS)，即周围环境温度，压力和饱和水汽。,BTPS状态的VE：at body temperature, pressure and saturated with water vapor (BTPS)，即体温、压力和饱和水汽。 PB大气压barometric pressure (mmHg), T测试时采样温度temperature of sample gas in volume measuring device (), PH2O测试时水的分压partial pressure of water at T (mmHg). 体温假设为37，测PH2
14、O在体温时的假设为47.08 mmHg.,STPD状态的VE：at standard temperature, pressure and dry (STPD) (Wasserman et al., 1994)，即标准温度、大气压和干燥气体,吸入气体量,VI(inspired air)的计算Estimation of VI(adapted from Wilmore and Costill, 1973) FEO2呼出气（in expired air）的O2分数， FECO2呼出气（in expired air）的CO2分数， FIO2 吸入气in inspired air 的O2分数， FICO2
15、 吸入气的CO2分数,VO2和VCO2的计算 (Consolazio et al., 1963),吸氧量VO2=VEO2%=VE（吸入气中氧分数20.95%-呼出气中氧分数）； VO2/KG，吸氧量相对值； 二氧化碳呼出量VCO2=VECO2%（二氧化碳分数）；,利用和消耗能量的计算(adapted from Consolazio et al., 1963),脂肪代谢率Rate of fat metabolism (g/min) = (1.689 x VO2) - (1.689 x VCO2 ) 碳水化合物代谢率Rate of carbohydrate metabolism (g/min) =
16、 (4.12 x VCO2 ) - (2.91 x VO2 ) 能量消耗Rate of energy expenditure (kJ/min) = (15.88 x VO2 ) - (4.87 x VCO2 ),呼吸商,呼吸商：各种物质在体内氧化时所产生的二氧化碳与所消耗的氧的容积之比，RQCO2产生量/耗O2量 。 葡萄糖：l 脂肪：约为0.71 蛋白质：约为0.80 一般情况下，人类摄取的食物为混合食物，其呼吸商约为0.85左右。,代谢当量,代谢当量：运动时的耗氧量与安静时耗氧量的比值称为代谢当量（MET）。 1MET约相当于安静时的能量消耗（耗氧量），即约相当于250ml/min或3.5
17、ml/Kg/min。,氧脉搏 VO2/HR，氧脉搏是心脏每跳动一次从右心室射到肺循环血液中的氧气量； 氧通气当量 EQO2，通气量与吸氧量的比值（VE/VO2）。,六、大鼠的最大摄氧量测定,通常以气相色谱分析方法 分析氧和二氧化碳浓度 摄氧量(流入气体氧百分含量流出气体氧百分含量)气流量(ATPS)/公斤体重 张勇，文立，时庆德，胡慧，陈家琦.大鼠运动状态下摄氧量测定方法的初步研究小动物密闭跑台结合气相色谱分析法测定.中国运动医学杂志 1998年第4期 Bedford TG,Tipton CM,Wilson NC,et al. Maximal oxygen consumption of rat
18、s and its changes with various experimental procedures. J Appl Physiol. 1979;47(6);1278-1283.,小动物密闭跑台示意图,跑台控制器,电机,进气孔,电刺激器和风扇,Wistar大鼠最大摄氧量测试运动负荷程序,Bedford TG,Tipton CM,Wilson NC,et al. Maximal oxygen consumption of rats and its changes with various experimental procedures. J Appl Physiol. 1979;47(6
19、);1278-1283.,不同运动阶段气体代谢测试结果,Wistar大鼠 3月龄雌性和雄性大鼠体重分别为0.1820.009和0.2220.019kg。,七、无氧阈的测试与分析,通气阈(VT)的判定标准为： (1) VE(MV)和VCO2的非线性上升。 (2) EQO2（氧通气当量）有规律升高。 (3) FO2降低，不伴有FCO2的明显变化。,通气阈测定,在渐增负荷运动中，将肺通气量变化的拐点称为“通气阈”,结果分析评价 （1）找出最大摄氧量VO2max的绝对值、相对值； （2）找出通气无氧阈AT对应的跑速和对应的摄氧量，计算以%VO2max表示的无氧阈；,递增强度负荷运动时血乳酸的测定,通气
20、阈和最大摄氧量的关系,通气阈和最大摄氧量都可以用以评定人体的最大有氧能力。 最大摄氧量反映了人体在运动时所摄取的最大氧量，通气阈（乳酸阈）则反映了递增负荷运动时刚引起乳酸堆积时所需要的最大摄氧量利用率。 生理机制不同，最大摄氧量主要反映心肺功能和骨骼肌的代谢，乳酸阈主要反映骨骼肌的代谢。 最大摄氧量主要受遗传因素的制约；乳酸阈可以通过训练大幅度提高。,(三)无氧阈在体育运动实践中的应用,1.评定有氧工作能力 VO2max和AT是评定人体有氧工作能力的重要指标。 系统训练对VO2max提高较小，它受遗传因素的影响较大。 系统训练对AT提高较大。,2.制定有氧耐力训练的适宜强度,无氧阈指标比最大摄
21、氧量指标同耐力性运动项目的相关更密切。 以无氧阈强度进行训练可迅速提高有氧能力。也有人提出以低于无氧阈的强度进行训练，对提高耐力效果更好。,Kiresen等（ 1980）对游泳运动员用不同强度（无氧阈强度及高于无氧阈强度）训练6周后发现，以无氧阈强度进行训练对运动成绩提高效果最好。,最大摄氧量报告 测试曲线 最大摄氧量的判断 通气（无氧）阈的判断 通气（无氧）阈对应的VO2max和跑速 能量节省化,通气阈(VT)的判定标准为： (1) VE(MV)和VCO2的非线性上升。 (2) EQO2（氧通气当量）有规律升高。 (3) FO2降低，不伴有FCO2的明显变化。,Li Bolin 最大摄氧量4.04L/min 58.5ml/kgmin 最大摄氧量对应跑速为 通气阈时的摄氧量2.93L/min，即72.5%VO2max 通气阈时的跑速为6.8km/h，坡度为15%,