Effects of 4-Week Inspiratory Muscle Training on Sport Performance in College 800-Meter Track Runners

背景和目的：由于代谢反射，呼吸肌疲劳是限制运动表现的重要因素之一。这种反射会导致四肢血流量减少，加速运动肢体疲劳。以往研究发现，吸气肌训练（IMT）能有效增强呼吸肌耐力，减轻长时间运动或有氧运动时的疲劳，从而提高运动成绩。然而，吸气肌力量、肢体血流变化和运动表现之间的机制仍有待研究，尤其是在短时间运动、无氧运动或有氧运动和无氧运动中。本研究旨在探讨为期四周的吸气肌训练对大学生休闲 800 米跑者呼吸肌力量、肢体血流变化率和运动表现的影响。材料和方法：20 名健康的 800 米大学生跑步运动员随机分为 IMT 组（11 名受试者）和对照组（9 名受试者）。IMT 组每周 5 天，每天两次，每次 30 次吸气，强度分别为最大吸气压力（MIP）的 50%、60%、70% 和 80%，持续 4 周；对照组保持最大吸气压力的 50%，持续 4 周。结果测量变量包括 800 米试验测试、使用阻抗搏动仪的肢体血流变化率以及 MIP。所有测量变量均在 4 周 IMT 训练前后进行评估。采用双向方差分析进行统计分析。结果显示，组间和前后测试之间存在明显的交互作用。接受 IMT 训练后，IMT 组的肢体血流变化率从 19.91 ± 11.65% 明显降低至 9.63 ± 7.62%（P < 0.05）。IMT 组的 MIP 从 112.95 ± 27.13 cmH2O 明显提高到 131.09 ± 28.20 cmH2O，800 米试验测试的跑步时间也从 162.97 ± 24.96 秒缩短到 156.75 ± 20.73 秒。结论我们的研究结果表明，为期 4 周的 IMT 训练（每天两次，每周 5 天）能显著提高参与者的吸气肌力和 800 米跑步成绩，并降低肢体血流变化率。

1.导言

慢跑是近来全球流行的有氧运动之一。作为一项以有氧运动为基础的运动，心肺耐力和呼吸肌力量是增强心肺健康的基本要求。膈肌是呼吸肌之一，是呼吸运动中不可或缺的骨骼肌[1,2]。当人进行高强度运动或经历一段时间的努力时，呼吸肌的疲劳会反射性地增加交感神经血管收缩活动，运动肢体的血管收缩，结果导致血流无法到达肢体肌肉[3-6]。因此，肢体血流不足会降低氧交换率，增加酸痛和不适感，从而影响运动表现。

根据以往的研究，在恒定负荷运动中，通过按比例辅助通气，呼吸肌做功减少了约60%，运动结束时股四头肌疲劳与对照组相比减少了 25-30%[7]。此外，在恒定负荷的腿部骑行过程中（在吸入的空气中添加补充氧气），当运动引起的动脉不饱和被阻止时，发现股四头肌的疲劳与对照组相比减少了近 50%[8]。因此，呼吸肌训练可延长疲劳期，从而改善运动表现、动脉血气和酸碱平衡[9]。

从运动角度来看，以往的研究表明，吸气肌肉训练（IMT）能显著减轻疲劳，提高运动成绩。约翰逊及其同事[10]对自行车运动员进行了为期 6 周的阈值吸气肌训练（PowerBreathe®）（POWERbreathe Interna-tional Ltd., 英国）干预。他们的研究结果表明，经过六周的训练后，耐力和持续输出功率都有所提高，骑车成绩也有所改善。罗默及其同事的研究也发现了同样的结果[11]。在这项研究中，16 名受过训练的自行车运动员被随机分配到 IMT 组和假 IMP 组，并接受了为期 6 周的 IMT 训练。对肺功能以及 20 和 40 公里计时赛成绩进行了测量。结果显示，20 公里和 40 公里计时赛成绩和肺功能均有所提高。Kilding 等人还研究了 IMT 对 16 名俱乐部级游泳运动员的影响。他们的结果也与之前的研究相似。他们的结果表明，100 米游泳计时成绩下降了1.7%，200 米游泳计时成绩下降了 1.5%[12]。此外，Volianitis 及其同事[13] 对精英女子赛艇运动员进行了为期 11 周的阈值 IMT（PowerBreathe®）训练。结果显示，IMT 组的最大吸气压力明显高于对照组。由此可见，IMT 可以改善呼吸肌力量和运动表现。

在过去的研究中，呼吸肌训练的运动包括跑步、游泳和骑自行车[14-16]。这些研究大多侧重于长距离和有氧运动。然而，针对中长跑和短距离运动的呼吸肌训练研究较少。中长跑项目包括 800 米和 1500 米。800 米和 1500 米是既包括有氧运动又包括无氧运动的项目。一项针对 1500 米长跑运动员的研究证明，呼吸肌训练可增强呼吸肌力量，提高运动成绩[15]。然而，800 米的距离比 1500 米的距离短，在运动生理学上更倾向于无氧运动[1,2,14]。呼吸肌训练的效果是否与 1500 米距离相同值得怀疑。

然而，以往与 IMT 影响有关的研究都集中在长距离运动上。很少有研究调查 IMT 对短距离运动（如 800 米长跑）的影响。Brown 和 Kilding 发现，短距离前爬泳运动后会出现吸气肌肉疲劳[14]。Ohya 等人也报道了较短时间的跑步运动会引起吸气肌肉疲劳[17]。因此，有必要更好地了解呼吸肌训练是否有助于中长跑项目，如 800 米长跑。要确定可能的机制，仍需进一步研究。因此，本研究旨在探讨为期 4 周的吸气肌训练对大学生800 米田径休闲跑运动员呼吸肌力量、肢体血流变化率和运动表现的影响。研究假设为：4 周吸气肌训练可增加呼吸肌力量，降低肢体血流变化率，提高 800 米运动成绩。

2.材料和方法

2.1.研究设计和参与者

本研究采用两组比较、前后测试设计。根据以往研究[18]的基本统计功率要求，每组受试者人数至少应为 8 人。最后，从该校田径队招募了 22 名业余 800 米大学生选手。在对 IMT 组和对照组进行随机分组后，对照组有两名参与者退出。参与者的招募是通过寻找每周至少训练三次，每次至少 60 分钟，并且能够完成全部实验的运动员。此外，还采用了三项排除标准：（1）现在或过去患有心血管、肺部和神经系统疾病；（2）吸烟；（3）对导电垫过敏。实验前，所有参与者都被告知了研究程序，并签署了知情同意书。本研究还获得了台湾中国医药大学医院机构审查委员会的批准（CRREC-102-027，2014 年 6 月 17 日）。表 1 列出了参与者的人类学特征。IMT组与对照组无明显差异。

表1.参与者的详细信息（N = 20）。

2.2.程序

在进行吸气肌训练干预前，收集所有参与者的吸气肌训练（MIP）测试、血流测试和 800 米电子测试的基线数据。收集基线数据后，所有参与者休息一天，训练组开始为期4 周的吸气肌训练，对照组开始安慰剂训练。两组均进行为期 4 周的相同技能训练和负重训练。所有参与者在 4 周 IMT 结束后立即重复收集 MIP 测试、血流测试和 800 米计时测试的数据。程序流程见图 1。

图1.实验程序。

2.3.测量

2.3.1.最大吸气压力 (MIP) 评估

本研究中的 MIP 评估由 MicroRPM（Micro Medical/CareFusion，Kent，United Kingdom）测量，并在笔记本电脑中插入 PUMA PC 软件（Micro Medical，Kent，England）。PUMA PC 软件与 MicroRPM 呼吸压力计配合使用，测量呼吸肌强度，并根据一秒钟的平均最大压力计算MIP。在测试过程中，参与者应保持坐姿，然后由研究人员向参与者解释 MicroRPM 设备的使用程序。在进行 MIP 评估时，要求参与者先将嘴唇密封在吹嘴周围，缓慢而完全地呼气，然后快速用力吸气。研究人员记录最大值的数据，并显示在 MicroRPM 及其软件上。每次试验之间让参与者休息 1 分钟，并要求他们重复该方案5 次[19]。与之前的研究一致，MicroRPM 可以可靠地测量 MIP [20]。

2.3.2.肢体血流评估

肢体血流评估使用的是阻抗血压计 RheoScreen compact（Medis，德国伊尔梅瑙）。该设备经过校准，可保证记录信号的高质量和高重复性[21]。测试采用四电极技术进行测量。外侧的两个电极用于施加电流，内侧的两个电极用于划定被测的股四头肌（图 2）。

图2.测量肢体血流量时电极（a）和设备（b）的位置

为了清楚地评估参与者的肢体血流量变化率，每次评估都要进行 2 次，并与呼吸肌疲劳诱导配合进行。第一次血流评估后，要求参与者吸气，通过POWERbreathe 呼吸训练装置保持 60% 的吸气压力。吸气压力的强度以 MIP 评估结果为依据，吸气和呼气的时间比例为 1:2。鼓励参与者保持呼吸。一旦受试者未能保持吸气压力超过 2 次，训练过程即告结束。然后，立即测量下肢血流量。肢体血流量变化率的计算方法是第二次测试值减去第一次测试值，然后除以第一次测试值，再乘以 100%。

2.3.3.运动成绩评估

在为期四周的呼吸肌训练前后，分别进行了 800 米计时测试，作为运动成绩评估。根据 Hanon 等人和 Ohya 等人的研究，800 米田径跑会造成体内失衡状态，血液 pH 值下降，某些分区功能过度，从而导致机体衰竭和呼吸肌疲劳[17,22]。因此，这项运动成绩测试可作为呼吸肌训练效果的结果测量变量。在进行800 米计时测试前，参与者先热身 5分钟，然后在校园田径跑道上进行测试。测试期间，他们在跑道上跑 800 米，并用计时器记录时间。

2.4.呼吸肌训练的干预措施

本研究采用名为 POWERbreathe K2（英国 POWERbreathe 国际有限公司）的阻力可调式电子呼吸训练器进行训练干预。最初，参与者被要求用嘴含住一次性空气喷嘴，并使用鼻夹防止通过鼻腔通气。初级设置完成后，参与者可根据设备和研究人员发出的信号开始呼吸。设备在吸气过程中提供阻力，同时记录吸气压力。一旦参与者感到不适，可立即停止呼吸。

IMT 组每周 5 天，每天 2 次。第 1、2、3 和 4 周的训练强度分别逐步设定为 MIP 的 50%、60%、70% 和 80%。此外，对照组需要在 4 周内保持 50%的运动量。

2.5.统计分析

统计分析使用了社会科学统计软件包（SPSS 20，SPSS Inc.首先对参与者的人类学信息进行描述，然后用独立样本 t 检验和卡方检验来比较组间差异。变量的正态性用 Shapiro-Wilk 检验进行评估。随后，对测试前后的结果和组间比较进行了双向方差分析。连续变量的数据以平均值和标准差表示，名义变量的数据以比率表示。显著性水平为 α = 0.05。

3.结果

MIP、血流变化率和 800 米数据以平均值和标准偏差表示（表 2）。表 3 显示了本研究中呼吸肌训练的结果。经过 4 周的呼吸肌训练后，发现所有变量在组别和训练前-训练后之间都有明显的交互效应（P < 0.05）。这表明，经过 4 周的呼吸肌训练后，MIP 明显改善。

表2.IMT 组和对照组之间的 MIP、血流变化率和800 米计时测试结果。

表3.IMT 组和对照组之间的 MIP、血流变化率和800 米计时试验的重复测量双向方差分析结果。

4.讨论

本研究旨在调查 4 周吸气肌训练对大学生休闲 800 米跑运动员呼吸肌力量、肢体血流变化率和运动表现的影响。结果表明，4 周的吸气肌训练能明显提高 MIP，改善 800 米跑成绩，降低肢体血流变化率。本研究解释并完善了这一以往鲜有讨论的现象。

根据我们的结果，IMT 组的 MIP 从 112.95 ± 27.13 cm H2O 显著提高到 131.09 ± 28.20 cm H2O，而对照组没有提高。一项荟萃分析研究曾指出，呼吸肌训练可提高 MIP，尤其是耐力运动的 MIP [23]。800 米距离是一项包括有氧和无氧运动项目的运动[14]。根据我们的研究结果，为期4 周的呼吸肌训练提高了 800米中长跑的运动成绩。这一结果在以往的研究中并没有出现过。

此前，一项系统性综述指出，4 至 12 周可能是呼吸肌训练的适当持续时间[23]。在我们的研究中，仅 4 周的 IMT（强度设置为 MIP 的 50%、60%、70% 和 80%）就能观察到显著的改善。这些结果与之前的研究一致。之前的研究小组由精英运动员组成，他们能很快学会呼吸肌训练技巧，因此只需要 50%的强度和 4 周的训练时间就能看到进步。而在其他研究中，休闲跑步者需要 6-8 周的时间。当训练强度超过 80% 时，就能达到训练效果 [1,15]。具体来说，之前的一项研究将 MIP 的 50%作为训练组的强度，结果取得了显著的改善[24]。然而，在我们的研究中，对照组也是休闲跑者，将训练强度设定为 50%，持续 4 周，并不足以看到明显的效果。这与之前的研究不同。这可能表明，休闲跑者需要更多的时间和训练强度来学习呼吸训练技能。可能的机制尚不清楚。未来的研究需要明确休闲跑者和专业跑者呼吸肌训练技能的影响。

另一方面，在 IMT 训练计划之后，四肢的血流量从 19.91 ± 11.65% 显著下降到 9.63 ± 7.62%。相反，对照组则从 5.33 ± 7.45% 增加到 13.50 ± 7.48%。这可能表明，持续的强度并不能改善对照组的呼吸肌功能和降低血流变化率。一般来说，最大运动量可能会导致运动肌血管收缩[25]，引起外周疲劳，部分原因是伴随着呼吸肌的高水平工作，从而增加了血流量[8]。因此，我们发现，在呼吸肌训练强度一致的情况下，对照组不会影响呼吸肌耐力，进而影响血流变化率。然而，经过 4 周的 IMT 训练后，IMT 组的血流变化率降低了。可能的原因是，跑步运动是陆地上的直立动态模式。跑步时需要核心肌肉的参与，包括横膈膜（呼吸肌和躯干核心肌肉）[17]。通过 IMT 训练，强度从 50%增加到 80%，在这种呼吸肌阻力训练中可以增加横膈膜的垂直运动，并可促进肢体血流灌注，从而减少代谢反射现象的影响。这意味着，IMT强度递增训练可减轻代谢反射现象，降低休闲跑步者的下肢血流变化率。

只有在 IMT 组中，800 米跑步成绩从 162.97 ± 24.96 秒大幅提高到 156.75 ± 20.73 秒。以前也观察到过同样的结果。尼克斯及其同事对足球运动员进行了为期 5 周的呼吸肌训练，并通过悠悠间歇恢复测试检验了他们的体能表现。在他们的研究中，足球运动员的体能表现得到了明显改善[26]。另一项研究也发现了类似的结果，分别进行了 4 周和 6 周的呼吸肌训练[27,28]。一项荟萃分析也表明，IMT 对体能表现有明显的积极影响[23]。总体而言，我们的研究结果与之前的研究结果一致。总之，为期 4 周的 IMT 训练（每天两次，每周 5 天），从 MIP 的 50% 逐步提高到 80%，可提高大学生休闲跑步者的800 米成绩。

本研究的优势在于参与者和运动成绩变量的选择。我们选择了 800 米计时测试和 800 米休闲跑运动员。这个径赛项目既属于有氧运动，也属于无氧运动。我们的研究结果还证明，呼吸肌训练不仅对耐力运动有效，而且对混合运动形式（有氧和无氧运动类型）也有效。然而，一些局限性也应得到解决。首先，本研究只招募了某一年龄段的单一赛跑者。我们鼓励今后的研究调查不同种族、年龄、文化和类型的运动员，以确保机制的交叉验证。其次，尽管我们在研究中尽量减少了可能的干扰，但仍无法保证饮食和睡眠时间等个别因素的一致性。这可能会干扰研究结果。

5.结论

本研究进行了为期 4 周的呼吸肌训练干预，以探讨其对休闲跑步者运动表现的影响。结果表明，为期4 周的 IMT 训练（每天两次，每周 5 天）能显著提高参与者的吸气肌力和 800 米跑步成绩，并降低肢体血流变化率。一种可能的机制是，增加 MIP 可以延缓呼吸肌疲劳的发生，并有助于降低下肢血流变化率，最终提高 800 米运动成绩。