運動生理週訊(第128期)
臺階試驗是評價人體心血管系統功能的有效方法嗎？(July.17.2002)
王健(浙江大學教授)、鄧樹勛(華南師範大學教授)
前言
臺階實驗(step test)是一項在全世界範圍內被廣為使用的運動負荷評價試驗，它最初是由Harvard疲勞實驗室的Broha及其同事于第二次世界大戰期間在David B.Bill跑步機試驗的基礎上建立起來的，主要用來替代跑步機和踏車功量計測量機體對強體力負荷的適應能力和身體機能的恢復能力[1,2,3]。由於該試驗指數是以定量運動負荷後心率恢復為主要計算依據，後被逐漸演化為一種評價心血管活動對運動的反應效率(efficiency)或心血管活動適應能力(cardiovascular fitness)的簡易測量方法[4]，在不少國家和地區國民體質與健康水平評價的實踐中被推廣和應用。然而，半個多世紀以來，隨著人們對臺階試驗研究和認識的逐漸深入，發現該試驗在評價人體心血管功能方面並非人們想像的那樣有效，包括試驗效度和檢測條件等在內的許多問題至今尚未取得一致意見。目前科學研究對臺階試驗的認識獲得那些結論，還存在什麼問題，本文擬就此作簡要的介紹。
臺階試驗及其運動負荷條件
通過運動負荷的方法檢測和評價心血管系統的功能最初是由哈佛疲勞實驗室(Harvard Fatigue Lab)的David B.Bill博士及其同事共同建立的，當時他們使用的運動負荷工具是跑步機,要求受試者在8.6%坡度的跑步機上以7英里/小時的速度持續運動5分鐘。運動負荷結束後，檢測恢復期1-1.5,2-2.5和4-4.5分鐘的心率數，然後根據以下的方法計算評價指數，用以評價心血管系統的功能，即：評價指數=運動負荷持續時間(秒)×100/2(1-1.5心率＋2-2.5心率＋4-4.5心率)。
之後，由於使用不方便，有人對這一試驗作了改造，以划船和踏車等替代跑步機進行測試。1943年，哈佛疲勞實驗室的Brouha及其同事依據同樣的原理以上下小凳的方法替代跑步機進行運動負荷試驗，並且按照與David B.Bill相同的演算法計算小登試驗指數，這一試驗後來被稱為哈佛臺階試驗(Harvard step test),其目的是用於機體對劇烈運動的適應能力和運動後身體機能的恢復能力[5]。
Brouha及其同事建立的臺階試驗最初是為大學生設計的，該試驗要求受試者以30次/分鐘的頻率上下高度為20英寸的臺階5分鐘，儘量完成試驗所規定的運動負荷時間。運動負荷結束後的恢復期記錄1-1.5,2-2.5和3-3.5分鐘的心率，然後按照以下演算法計算所謂的身體效率指數(Physical efficiency Index,PEI), 通過以下標準(表1)評價PEI水平，即：PEI=運動負荷持續時間(秒)×100/2(1-1.5心率＋2-2.5心率＋3-3.5心率)。
表1. 長時程和短時程PEI評價標準
| 長時程PEI | 評價等級 | 短時程PEI |
| 低於55 | 差 | 低於50 |
| 55-64 | 一般 | 50-80 |
| 80-89 | 好 | 高於80 |
| 高於90 | 優秀 | |
後因研究發現記錄運動後恢復期3分鐘心率計算得到的結果與只記錄1-1.5分鐘的結果高度相關，故建議採用後面一種方法記錄恢復期心率並按照下列方法計算PEI，他們稱這種PEI的演算法為短時程PEI(short form PEI)，而最初的演算法為長時程PEI(long term PEI)。
PEI=運動負荷持續時間(秒)×100/5.5×1-1.5心率
為使臺階試驗適應更廣泛人群使用，臺階試驗的運動負荷條件不斷改變，主要是臺階高度、節律、運動持續時間乃至臺階指數的計算方法。1951年，Jung等將臺階高度降為18英寸，運動時間減少到4分鐘，以適應體表面積小於1.85平方米的男性少年兒童。Jung等在該研究中還首先使用心臟恢復指數(Cardiac recovery index,CRI)取代PEI表示試驗結果，因為該指數的大小取決於心率恢復的速度[6]。1963年，Skubic和 Hodgkins 將臺階高度降到18英寸，踏蹬頻率減小到24次/秒，運動時間進一步減少到3分鐘，以適應初中、高中和大學階段女生的需要，運動負荷結束後只記錄1-1.5分鐘的心率，研究證明在此條件下的實驗信度為0.82, 與5分鐘耐力跑試驗的相關係數高達0.79，Skubic和 Hodgkins 建立的評價標準見表2[7]；此外，還有人針對不同年齡和性別的受試者提出採用不同測試條件的觀點，如適合12-18歲女生的測試條件為，臺階高度16英寸，運動時間4分鐘；適合8-11歲男、女生的條件是，臺階高度14英寸，運動時間3分鐘；而適合8歲以下兒童的條件為，臺階高度14英寸，運動時間2分鐘。以上各種條件下的實驗信度介於0.820-0.825之間，實驗結果能夠對健康狀況的好壞作出明顯區分。用於不同人群臺階試驗的運動負荷方案見表3。
表2 初中、高中和大學階段女生臺階試驗的評價標準
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評價等級 初中女生686人 高中女生1332人 大學女生2360人
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得分 30秒心率 得分 30秒心率 得分 30秒心率
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優秀 72-100 小於44 70-100 小於45 71-100 小於45
良好 62-71 45-52 60-70 46-54 60-70 46-54
好 51-56 53-63 49-59 55-66 49-59 55-66
一般 41-50 64-79 40-48 67-80 39-48 67-83
差 31-41 80-92 31-39 81-96 28-38 84-116
很差 0-33 93以上 0-30 96以上 0-27 117-120
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表3. 適合不同人群使用的臺階試驗運動負荷方案
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年齡 臺階高度 節律 持續時間 臺階指數演算法
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大學男生-老年人 20英寸(50.8釐米) 30 5分鐘 持續時間×100/2×心率記數
中學男生12-18歲 18英寸(45.7釐米) 30 4分鐘 同上 .
大學女生 18英(45.7釐米) 24 3分鐘 持續時間×100/心率(5.6)
高中女生 18英(45.7釐米) 24 3分鐘 持續時間×100/心率(5.6)
初中女生 18英(45.7釐米) 24 3分鐘 持續時間×100/心率(5.6)
小學男女生8-12歲 14英寸(35.6釐米) 30 3分鐘 同大學男生 .
7歲以下男女生 14英寸(35.6釐米) 30 3分鐘 同大學男生 .
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除哈佛臺階試驗外，比較有影響的其他的臺階試驗還包括Ohio洲大學臺階試驗和Queens 學院臺階試驗。前者是專門為18歲以上男性設計的多次漸增強度的亞最大心血管運動負荷試驗，通過測定心率達到150bpm 的運動運動局數，實質上是運動時間長短來評價心血管系統對運動的適應能力[8] ；而後者是專門為大學女生設計的心血管適能評價試驗，試驗設計的原理同哈佛臺階試驗[9]。Kurucz研究證明Ohio洲大學臺階試驗的信度高達0.94, 臺階試驗分數與效標Balke跑步機試驗結果的相關係數也高達0.94 。而Queens College 臺階試驗的信度也高達0.92,運動後5-20秒心率恢復分數與最大耗氧量相對值的相關係數達-0.75。證明這兩個試驗也是較好的心血管功能運動負荷評價試驗。然而，在實際應用中，Ohio洲大學臺階試驗和Queens 學院臺階試驗遠不及哈佛臺階試驗有影響。
臺階試驗的評價效度和信度
Brouha及其同事以哈佛大學的2200名學生作實驗，探討了臺階實驗的效度和信度，發現運動員的分數明顯高於非運動員、運動訓練可以提高臺階試驗的分數、停訓可以降低臺階試驗分數、短時程 PEI與越野賽成績的相關係數為0.63、短時程 PEI在效度方面與長時程PEI相當、採用重複試驗的信度指數為0.82。這些研究結果後來還得到其他許多研究的驗證，如男、女運動員的臺階試驗分數普遍高於非運動員[10-15]；體育系學生的分數高於非體育專業學生[16,17]；體力勞動的人以及經常參加鍛煉的老年人分數也比較高[18,19]此外，喜歡運動的兒童也比不喜歡運動的高[20]。這些是最初關於哈佛臺階試驗效度和信度的研究報告，初步肯定臺階試驗是效度和信度都較好的身體適應能力和機能的恢復能力的運動負荷試驗。
進一步以反映心血管系統功能水平更加有效的指標最大吸氧量(VO2max)作為效標研究臺階試驗的評價效度，發現臺階試驗指數的外部效度通常僅介於0.35至0.77之間(表4)，且不同研究之間存在很大的差異。此外，也有近10項研究發現臺階試驗分數甚至與耐力跑成績、力量和跑步機運動耐力成績之間的相關係數也都比較低[21-29]。為此，這些研究指出，雖然臺階試驗分數可以對心血管系統的功能水平作出好與不好的區分，但是不能對對健康人群進行更細緻的分級評價，因此這種試驗只適用於一般人心血管功能水平的一般性評價，而不適合於精確評價，更不能用於運動員的機能評價和最大吸氧量的預測。此外，比較不同年齡階段臺階試驗指數的變化以及與最大吸氧量、最大心輸出量變化之間的關係，也可以明顯發現：(1)臺階試驗指數不能有效反映心臟功能的增齡性變化規律及其性別差異；(2)臺階試驗指數變化與最大吸氧量、最大心輸出量變化之間無明顯伴隨關係。顯然，以臺階試驗指數來評價心血管功能尚無確切科學依據。
目前研究認為，造成不同研究所獲得的臺階試驗效度指數差異較大的原因，除研究物件的不同以外，還可能受以下眾多非心血管功能性因素的影響。(1)受試者的身高和體重：楊錫讓以美國北卡大學體育系24名男生為研究物件，採用身高×臺階高的雙因素實驗設計，發現身高和臺階高度均可對臺階運動的心率和耗氧等項參數產生明顯影響[32]；而另有10余項研究指出，在兒童和青年人群中，臺階試驗分數與身高、體重、體表面積乃至下肢長度均無明顯相關[30-36]；肥胖受試者的臺階試驗分數較低，但分析認為這與受試者的體重無關，而是其心血管系統功能較差造成的[37]。甚至對於體脂分佈差異更大的老年人，研究認為也沒有必要按體重校正臺階試驗的分數。(2)情緒：安靜時情緒變化會對人的心率產生明顯的影響，但是運動時的情緒變化的作用有多少，目前還無證據可查。一般認為，運動強度越大，情緒對心率的影響就越小。(3)室溫增加會加快體循環速度和心率，因此運動試驗的室溫應控制恒定，一般介於75-80華氏度。此外(4)飲食過量、脫水和疲勞都會對運動心率產生一定影響[38,39]，但是它們對臺階試驗有多少作用目前尚不清楚。
然而，與最大吸氧量等心血管功能相關較好的評價方法相比，應用臺階試驗評價心血管系統功能水平仍具有自己的特點：(1)臺階試驗無須昂貴儀器設備，便於大範圍普及和推廣；(2)沒有經驗和有經驗測試人員相比，觸診與 ECG相比，測試結果的相關係數介於0.970-0.995之間[40]；(3)1-2周內的重複測量信度在0.73-0.94 之間；(4)臺階試驗指數對體育鍛煉反應的敏感性較最大吸氧量好，這一結果最初是由Brohua及其同事發現的，後來有許多研究分別在男青年[41-44]、中年男性[45,46]和老年男性[47]人群中得到驗證。顯然，以上優點，特別是後者，決定了至今臺階試驗仍然是一項值得研究的人體運動負荷評價試驗。
表4 臺階試驗指數與最大吸氧量的相關性
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受試者 相關係數 研究者
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男性，96人，23-62歲 0.41 Rasch,P.J(1959)
男性，96人，23-62歲(按身體大小矯正) -0.43 Rasch,P.J(1959)
男青年，100人 -0.35 Cureton,T.K(1945)
男青年，24人，平均年齡23.4 歲 0.63-0.65 Gallagher,J.R(1943)
男性，16人，20-26歲 0.77 Cureton,T.K(1964)
男性，24人，訓練前 0.63 Graybiel,G(1945)
男性，23人，訓練後 0.44 Graybiel,G(1945)
男青年，73人 0.39 De Vries,H.A(1965)
大學女生，41人大學女生 0.75 Manahan,J.E(1971)
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研究展望
綜上所述，在臺階試驗由最初對機體強體力負荷的適應能力和身體機能的恢復能力的測度，發展到今天的心血管功能評價、由原來的“高臺階5分鐘”運動轉變為目前的“低臺階3分鐘”運動過程中，臺階試驗評價心血管功能的效度一直是人們關注的重要問題。目前的研究認為：(1)臺階試驗是有效的心血管系統功能水平運動負荷評價試驗，但它只能夠對受試者心血管功能水平作出好與不好的一般性判斷，而無法進行精確判斷；(2)臺階試驗具有良好的測量信度；(3)臺階試驗分數對運動效應反應的敏感性優於最大吸氧量。然而，作為一種標準評價方法，臺階試驗在評價心血管功能時仍存在一些問題，如應用臺階指數評價心血管功能具有“高誤差和低相關”的現象；臺階試驗指數與耐力跑成績的相關性普遍較低且具有較大範圍的差異等；更值得注意的是臺階試驗指數不能有效反映以最大吸氧量、最大心輸出量為代表的心臟功能增齡性變化規律及其性別差異。此外，受身體運動訓練的影響，臺階試驗指數的適應性變化是否就是心血管功能提高的必然反映。這些問題均有待於進一步的研究和探討。
從運動生理學的理論出發，臺階試驗分數亦即恢復期心率對定量身體運動負荷的反應的是由身體運動能力以及神經、體液等多種心血管活動的反饋控制因素共同作用決定的。經典的臺階試驗能否成為，或者是什麼樣的臺階試驗能夠成為評價心血管功能更為有效方法，最終取決於未來研究對上述基本問題的進一步認識。
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第一作者簡介：王健(1961)，男，吉林省蛟河人，浙江大學體育科學與技術研究所，教授，工學博士，主要從事運動生理學和人類工效學研究。
第二作者簡介：鄧樹勛，男，華南師範大學體育科學學院教授，大陸教育部全國高校體育教學指導委員會理論學科組組長。
