摘要：为了探讨呼吸肌训练对自行车运动员呼吸功能及运动能力的影响，对10名现役男子自行车运动员进行了四周的呼吸肌训练，并于每周进行高温高湿环境下最大摄氧量（VO2max）、每分通气量（VE）、呼吸频率（RR）和运动潮气量（Vt）反应有氧能力、呼吸功能的指标以及主观疲劳程度（RPE）和最大功率数据的采集。结果显示呼吸肌训练可以提高自行车运动员在高温高湿环境下的VO2max和最大运动功率，其中VO2max在呼吸肌训练2周后和4周后均较训练前提高了约16.1%，最大运动功率在呼吸肌训练4周后提升了30W，提升幅度为11.1%；此外呼吸肌训练可以有效提高平均每分通气量（VE）与运动时潮气量（Vt），VE和Vt在呼吸肌训练4周后高温高湿环境下较训练前分别升高约19.5%和12.5%，训练对高温高湿环境运动的肺通气功能有明显促进作用。建议自行车等有氧耐力性运动项目可以尝试练习呼吸肌群，从而帮助提升高温高湿环境下的有氧运动能力。
关键词：自行车运动员，高温高湿环境，呼吸肌训练
Abstract：The aim of this study was to discuss the effects of respiratory muscle training on the respiratory function and exercise ability of cyclists in high temperature and high humidity environment. Methods: Ten male cyclists did the respiratory muscle training for four weeks , and the data of maximal oxygen uptake (VO2max), minute ventilation (VE), respiratory rate (RR) and exercise tidal volume (VT) reflecting respiratory function, subjective fatigue degree (RPE) and maximum power data were collected every week under high temperature and humidity environment. Results: Respiratory muscle training can improve the VO2max and maximum exercise power of cyclists in high temperature and humidity environment. VO2max increases by 16.1% after 2 and 4 weeks of respiratory muscle training, and the maximum exercise power increases by 30 W after 4 weeks of respiratory muscle training, with an increase of 11.1%. In addition, respiratory muscle training can effectively improve the average minute ventilation and exercise tidal volume. After 4 weeks of respiratory muscle training, ventilation volume per minute and tidal volume were increased by 19.5% and 12.5% respectively and it can promote the pulmonary ventilation function of exercise in high temperature and humidity environment. It is suggested that aerobic endurance sports such as cycling can try to practice respiratory muscle, so as to help improve the aerobic exercise ability in high temperature and humidity environment.
Keywords:Cyclists, high temperature and humidity environment, respiratory muscle training
1研究目的
呼吸系统的能力在竞技体育运动训练和比赛中直接影响运动员的竞技状态和成绩，在公路自行车等有氧耐力项目中尤为突出，运动员呼吸功能的好坏与运动水平紧密联系。而有氧耐力运动项目的训练与比赛环境不乏出现32 ℃（高温）以上，湿度60 %以上（高湿）的情况，而高温高湿环境会直接影响人体的呼吸系统功能，产生呼吸困难、呼吸频率紊乱等症状，从而影响运动能力与比赛成绩。呼吸肌群训练可以增加呼吸肌力量，提高呼吸效率，增强有氧耐力。本研究旨在探索是否可以利用呼吸肌群训练产生的增强呼吸肌群耐力等效果，提高机体在高温高湿环境下的运动表现。
2 研究对象与方法
2.1 研究对象
研究对象为10名现役男子公路自行车运动员，可排除人体耐热差异，未经高温高湿习服，身体健康，无任何疾病史，实验前受试者填写知情同意书。在实验前两天睡眠良好且饮食规律。基本情况如表1所示。
表1 研究对象基本情况
.png)
2.2 研究方法
2.2.1 呼吸肌群专门训练方法
本研究采用Power Breath便携式呼吸肌训练器对实验人群进行四周的呼吸肌训练，强度30 rm。每组训练30次，每天训练3组，每周训练6天。随着受试者呼吸能力的逐步提高，每隔一周进行一次呼吸阻力的调整。
2.2.2 高温高湿环境的设置
通过在密闭玻璃高温训练房内，利用史密斯(STEAMIST)LT-150加温蒸汽机（最大功率：15.0 KW，温度设定范围：30-55 ℃/86-131 ℉）令受试者每次在温度34±1℃，相对湿度70±3%，无风的模拟高温高湿环境中进行功率自行车递增负荷试验。环境房外温度维持在28 ± 1 ℃，湿度45 ± 10 %，由室内中央空调控制。
2.2.3 VO2max测定
本研究采用美国AEI牌MOXUS高精密气体代谢分析仪进行VO2max测试，每次测试前要预热30分钟，实验前用标准气样对仪器进行定标。为受试者选择合适的呼吸面罩，检测并确保面罩周围不漏气且受试者呼吸顺畅。之后在荷兰lode功率自行车上进行递增负荷运动测试，起始功率为100 W，踏凳频率90转/分钟，每级2分钟，每级功率增加30 W，直至受试者不能继续坚持该功率下的骑行而终止测试。要求跟随节拍器骑行，从而保持强度。记录最大运动负荷强度。
VO2max测试环境分别为常温常湿环境（24±1 ℃，相对湿度40 ± 2 %）和高温高湿环境（温度34 ± 1 ℃，相对湿度70 ± 3 %），每次测试间隔不少于一周。VO2max标准为受试者的心率达到本人最高心率，氧耗量不再增加、主观疲劳达到力竭。
2.2.4 运动后身体主观疲劳测试方法
准备好RPE（疲劳主观感受）量表，受试者在进行功率车递增负荷试验结束即刻根据自己本体疲劳感受选择一个疲劳程度所对应的数字，进行记录。
2.3数据采集
测试过程中每2 min采集一次数据包括主观疲劳程度（RPE）。
基础阶段：在环境房外进行（温度28 ± 1 ℃，相对湿度45 ± 10 %），共约30 min，受试者安静座位。
热身阶段：在环境房内进行（温度34 ± 1℃，相对湿度70 ± 3%），共5 min，受试者带呼吸面罩，心率带，调整功率车座椅高度，热身骑行2 min。
测试阶段：在环境房内进行（温度34 ± 1 ℃，相对湿度70 ± 3 %），约15-25min,受试者进行功率车递增负荷测试至力竭，每级间（每2 min）主观疲劳感。
力竭即刻：在环境房内进行（温度34 ± 1 ℃，相对湿度70 ± 3 %），力竭即刻测量主观疲劳感。
2.4 统计学方法
测得数据采用SPSS19.0统计软件进行数据分析，表示为平均数±标准差(X±SD)，以常温常湿环境数据，同高温高湿环境呼吸肌训练前、训练2周后、训练4周后数据为一组；高温高湿环境呼吸肌训练前数据，同呼吸肌训练2周后、训练4周后数据为一组。两组数据间进行配对样本t检验，比较各变量之间的差异。取p＜0.05为显著性水平，p＜0.01为非常显著性水平。
3结果分析
3.1高温高湿环境下呼吸肌训练后的运动机能指标
3.1.1呼吸肌训练对最大功率的影响
实验数据显示，高温高湿环境温度（34 ± 1 ℃，相对湿度70 ± 3%）最大骑行功率在训练后第2周与第4周都有提高，四周后提升了30 W，提升幅度为11.1 %，且均有统计学意义（训2周：p<0.05，训4周p<0.01），见表2。该结果证明在高温高湿环境下，呼吸肌的训练有助于降低机体运动疲劳的产生，从而达到提升最大运动负荷的作用。
表2 四次测试最大功率（S）
.png)
注：* p<0.05，** p<0.01：与常温常湿比较；# p<0.05，## p<0.01：与高温高湿比较。
在高温高湿环境中进行功率负荷相同的运动会较常温常湿环境更加费力，对机体产生的运动强度会明显增加。疲劳感出现显著提高，其主要原因是同样的功率负荷的运动，在高温高湿环境中进行所产生的运动强度感觉会增加。
运动性疲劳的可能机制包括能量耗竭学说、代谢产物堆积学说以及离子代谢紊乱理论等[1]。研究证明，高温和高湿环境均会严重阻碍机体散热，体温过高和脱水都显著影响运动能力，特别是对于持续时间较长的运动项目[2,3]，造成机体核心体温升高，离子代谢紊乱，体内二氧化碳和乳酸的浓度升高[4]，进而加速运动性疲劳的发生。本实验在一定程度上证明呼吸肌力量增强后提升气体代谢能力，帮助代谢二氧化碳，从而降低运动疲劳的产生。
此外在湿热环境中运动，为保证肌肉正常做功，需要大量的血液供应，同时人体表皮也要有大量的血供，从而维持体内的热量散发，这会影响向肌肉运输氧的能力。在十分炎热的条件下，进入皮肤血管内的血量约占心输出量的20 %。在舒适的条件下进行同样的运动，这部分的血液仅占心输出量的5 %。因此从另外角度提升呼吸系统功能，增加肺的氧利用率在一定程度上缓解肌肉摄血不足的情况。
在高温高湿环境下递增负荷功率车测试中，随着负荷的增加，受试者停止测试的原因一是腿部肌肉酸痛而无法坚持，另一原因就是湿热空气致使呼吸困难而导致运动终止。本实验4周后促使最大功率体上的原因分析是由于呼吸肌训练使肌肉耐力和力量加强，代谢产物不易堆积或延迟堆积，可以增强身体对疲劳的耐受性，并防止呼吸肌“窃流”骨骼肌血液现象发生。另外有研究认为高温高湿环境下运动疲劳主要原因是核心温度升高[5]。实验结果分析可能是由于呼吸肌训练后，呼吸指标提升帮助增加气体循环量，在一定程度上帮助躯干（尤其是胸腔内器官和周围组织）降低核心温度从而减缓运动疲劳。
尽管国内外对呼吸肌对有氧及运动能力的测试研究结果并不统一，但多数研究认为呼吸肌训练对耐力性运动至少是有少量的影响，但其意义重大。
3.1.2呼吸肌训练对最大摄氧量的影响
最大摄氧量（VO2max）是评定运动员有氧能力和运动潜能及人体呼吸、循环及骨骼肌系统综合能力的指标。VO2max主要受O2输送能力的限制，而运动时肌肉参与的多少会直接影响到心血管和呼吸的反应[6]。
从测试结果（表3）可以看出，训前高温高湿环境的VO2max会较常温常湿环境下降低约9.1 %，并且有显著性差异。这说明由于呼吸肌在湿热环境中疲劳出现较早，或是呼吸肌群参与下降和动员的能力降低，导致还未达到骨骼肌最大工作能力与最大用氧程度就已经出现疲劳从而结束运动。另一方面是由于在高温高湿环境下，湿热空气在一定程度上影响呼吸系统的摄氧效率，氧气不宜在气血屏障中进入肺泡内的毛细血管，摄氧量会下降。而经过呼吸肌训练后在相同的高温湿环境下，最大摄氧量逐渐上升，训练2周后VO2max上升至3101.2 ± 288.0 ml/min，较训练前提高了约12.5 %，且有统计学意义（p<0.05），而训练4周后的VO2max上升到了3201.5 ±343.4 ml/min，较训练前提高了16.1 %，并且有高度显著性差异（p<0.01）。分析其上升的原因是训练提高了主要呼吸肌（膈肌）以及辅助吸气肌的力量，推迟和降低了运动时膈肌疲劳发生的时间和程度[7]，降低呼吸的吃力程度，使得最大摄氧量上升。呼吸肌训练可以提高呼吸系统在运动时用氧效率，降低自主性过度通气氧耗，同时降低了运动时呼吸吃力和窒息的感觉，从而使高温高湿环境对人体VO2max影响最低。但是训练是否可以提高呼吸肌的耐热程度还有待研究。
表3 四次测试VO2max的比较(ml/min)
.png)
注：* p<0.05，** p<0.01：与常温常湿比较；# p<0.05，## p<0.01：与高温高湿比较。
3.2呼吸肌训练前后的呼吸功能比较
3.2.1呼吸肌训练对每分通气量、呼吸频率和运动潮气量的影响
由此次研究（表4）可以看出在高温湿环境中平均每分通气量（VE）下降，从呼频（RR）和潮气量（Vt）数据分析主要是由于潮气量下降所致，在训前高温湿环境下为保证通气量，呼频上升，但又满足不了高温度湿度及运动造成的机体疲劳，则运动时间很短，以浅快呼吸为主。在呼吸肌训练后，呼吸频率和潮气量均上升，两者配合作用使得通气量上升，并且高于常温常湿环境下的肺通气量。
从测试前10分钟的潮气量及呼吸频率（表4、表5）可以看出，递增负荷运动级别越高，呼频和潮气量的上升越多，与训练前的差异越显著，本实验还证实在2周训练后高温高湿下运动的肺通气量较训前没有明显差异，因此呼吸肌阻力训练至少要4周才会在高温湿环境下见效。
表4 四次测试平均每分钟VE（L/min）、Vt（ml/min）、RR对比（±SD）
.png)
注：* p<0.05，** p<0.01：与常温常湿比较；# p<0.05，## p<0.01：与高温高湿比较。
.png)
图1 潮气量/时间曲线 图2 呼吸频率/时间曲线
人体劳动或运动时骨骼肌活动加强，人体能量代谢增强，耗氧量和CO2产生量都随之迅速增加，这时呼吸加深加快以满足耗氧量的需求，呼吸的频率增加，剧烈运动时可达30-40 bpm，甚至达到60 bpm，潮气量从安静时的500 ml上升到2000 ml以上，肺通气量也增加近20倍。运动或劳动时呼吸的调节机制较为复杂，目前主要认为是通过神经和体液调节实现的[8]。
在高温高湿环境中，随着暴露时间增长，潮气量持续增加，温度越高，相对湿度越大，运动强度越大，潮气量有较为明显的升高，肺通气量增加也越明显[4]。另外高温高湿环境下易脱水，会严重影响运动能力，支气管和呼吸肌收缩对运动能力也有影响[9]。
呼吸肌阻力训练4周后高温高湿下运动的肺通气量才会在高温湿环境下出现改善。究其原因可能是由于4周呼吸肌力量训练使得膈肌和辅助呼吸肌力量增强，参与运动的呼吸肌募集广、调动程度变大所致。之前有研究证明过这一观点，Enright SJ[10]经过八周高强度呼吸肌训练后膈肌厚度增加12 %，Downey AE[11]四周吸气肌训练后，膈肌厚度增加了35 %。无创式呼吸肌训练膈肌厚度增加26 %[12]。有研究显示在中等强度运动时，肺通气量的增加主要因素是潮气量的增加，呼吸频率的增加并不多，大强度运动时潮气量和呼吸频率都较小运动量增加明显，一同作用使呼吸量明显增加[4]。本次高温湿环境下研究与这一研究结果相一致。
3.3呼吸肌训练对主观疲劳感受RPE指标的影响
由表7所示，4次测试递增负荷前5个级别的RPE值没有明显统计学差异，但由图9可见呼吸肌训练4周的RPE曲线较其他3条曲线稍低，略向右侧偏移，反应呼吸肌训练对于降低主管疲劳感觉还是有一定效果的。
RPE指标和一些生理生化指标以及运动负荷强度之间有很强的相关关系，这一点已经得到了国内外很多研究的证明[13]。所以，RPE作为一种心理量表可以反映人体在运动中的机能变化。
表7 四次RPE随负荷变化数据（±SD）
.png)
4 结论及建议
1． 呼吸肌训练可以提高自行车运动员在高温高湿环境下的最大摄氧量和最大运动功率。
2． 呼吸肌训练可以有效提高平均每分通气量与运动时潮气量，其对高温高湿环境运动的肺通气功能有明显促进作用。
3． 建议自行车等有氧耐力性运动项目可以尝试练习呼吸肌群，从而帮助提升高温高湿环境下的有氧运动能力。
参考文献
[1]邓树勋，王健，乔德才，主编.运动生理学[M].北京:高等教育出版社,2005:234-243.
[2] 李国建. 高温高湿低氧环境下人体热耐受性研究[D].天津大学，2008.
[3] 赖丽丽.不同湿度高温环境下机体有氧运动能力相关指标比较[J].中国运动医学杂志，2011，30（9）：806-809.
[4] 郑国忠. 高温高湿环境下相关人群的生理应激响应研究[D].天津大学
[5] Thomas MM, Cheung SS, Elder GC, Sleivert GG. Voluntary muscle activation is impaired by core temperature rather than local muscle temperature [J].Journal of Applied Physiology (Bethesda, Md : 1985), 2006, 100(4):1361-9.
[6] Calbet JAL, Radegran G, Boushel R, et al. On the mechanisms that limit oxygen uptake during exercise in acute and chronic hypoxia: role of muscle mass. J Physiol, 2009, 587(2): 477-490.
[7] 朱同乐. 呼吸肌训练对运动能力的影响[J]. 科技信息, 2009, (34):666.
[8] 徐雨维，高春圃。工程生理学[M]. 杭州：浙江大学出版社，1997.
[9] Lin RL, Hayes DJ, Lee LY. Bronchoconstriction induced by hyperventilation with humidified hot air: role of TRPV1-Expressing airway afferents. J Appl Physiol, 2009, 106 (6); 1917-1924.
[10] Enright SJ, Unnithan VB,Heward C, wt al. Effect of high-intensity inspiratory muscle training on lung volumes, diaphragm thickness, and exercise capacity in subjects who are healthy. Phys Ther, 2006;86:345-354.
[11] Downey AE, Chenoweth LM, Townsend Dk, et al. Effects of inspiratory muscle training on exercise responses in normoxia and hypoxia. Respir Physiol Neurobiol,2007；156：137-146.
[12] V.A. DePalo, A.L. Parker, F. Al-Bilbeisi and F.D. McCool, Respiratory muscle strength training with nonrespiratory maneuvers, J. Appl. Physiol, 2004;96:731-734
[13] 岳江山. 一次性力竭运动后疲劳主观感受与客观指标间的相关性研究[D]. 首都体育学院, 2008:1.