The influence of low resistance respiratory muscle training on pulmonary function and high intensity exercise performance

背景/目的：呼吸肌训练（RMT）被认为是提高呼吸肌（RM）力量和运动表现的有效手段。本研究旨在探讨低强度呼吸肌训练对呼吸肌力量、肺功能和运动表现的影响。

方法：14 名健康的成年人被随机分配到训练组或安慰剂组。训练组完成为期六周的 RMT 训练，其中第一周为最大吸气压力（PImax）的 10-25%，每天 1 组，每组 15 分钟，每周 5 天；其余五周为最大吸气压力（PImax）的 30%，每天 2 组，每组 15 分钟，每周 5 天。安慰剂组采用相同的方案，但几乎没有额外的通气阻力。在 RMT 计划前后，对 RM 强度和耐力、肺活量和耐力运动表现进行了测量。

结果：在训练组中，PImax（+14%）和最大呼气压力（PEmax，+27%）、用力肺活量（FVC，+3.6%）、最大摄氧量（VO2max，+11%）和耗竭时间（Tlim90%，+25%）与基线值相比均有显著增加（P < 0.05）。安慰剂组未观察到明显变化。此外，在最大自主通气量（MVV12）、分钟通气量（VE）和呼吸频率（RR）方面也未发现明显的相互作用。

结论：这些数据表明，低强度 RMT 是改善 RM 强度、肺弹性特性和耐力运动表现的有效工具。

1.导言

慢跑已成为近年来全球流行的有氧运动之一。作为一种有氧运动，心肺耐力和呼吸肌力量是基本要求，应通过锻炼来增强心肺健康。膈肌是呼吸肌之一，是呼吸运动中骨骼肌的重要组成部分[1,2]。因此，任何运动限制都被归咎于呼吸系统以外的因素。4-8 二十多年前，Johnson 等人9 报道，持续 10 分钟的高强度耐力运动（VO2max >85%）与膈肌疲劳有关，表现为跨膈肌压力的降低。6 因此，呼吸肌训练（RMT）项目被广泛用于提高RM耐力和力量，以试图提高运动表现。-2,3,7,10 -15呼吸肌训练（RMT）对运动能力的提高可归因于多种并发机制，如： i. 呼吸肌肥大； ii、v. 推迟呼吸代谢的开始时间； vi. 重新分配从呼吸肌到运动肌的血流，增加运动肌的血流； vii. 减少呼吸困难。-不同研究的训练方案、模式（等压自主通气、吸气流量阻力负荷和吸气压力阈值负荷）和强度各不相同，导致结果存在差异，在一定程度上难以进行比较20。然而，绝大多数以健康受试者为对象的研究报告显示，最大吸气压力（PImax）、7,10,12,15,21,22抽动横膈膜压力（Tw Pdi）23 和横膈膜肥厚4,10 的提高表明 RM 强度有所改善。最近的一项系统综述包括 10 项涉及休闲和专业间歇性运动运动员的研究，结果表明，这些运动员的"理想 "训练方案由急性部分（连续两次，每次 30 个吸气，吸气量为肺活量的 40%，中间休息 1 分钟）和慢性部分（每天两次，每周四至七次，吸气量为肺活量的 50%）组合而成22。有报告称，采用较高 PImax 百分比和较长训练时间的训练计划可产生最高的 PImax 变化，但对运动能力的影响并不一致。24 此外，一些研究人员将 RM 力量和耐力的 "显著提高 "归因于高强度和长时间的训练。7,23,25 Gething 等人26 发现，较高强度的训练并不总能产生较高的 PImax 值：他们指出，就 RM 力量而言，80% 的训练比 100%的 PImax 更有效。7 此外，训练强度低至 PImax 的 40%-50%也会诱发 RM 结构重塑，增加 I 型肌球蛋白重链的比例和 II 型肌球蛋白重链的大小。一项系统综述和荟萃分析表明，对慢性病患者进行低强度（PImax 的 30-50%）的吸气肌训练（IMT）对心血管有益。28 由于吸气肌强度低的受试者更容易受到运动诱发的 RM 疲劳的影响，29 RM 训练的主要目的是将主要 RM 肌肉的强度提高到一定程度，以便在激烈运动中完成适当的通气任务。RM力量的提高可能会减弱或延缓运动引起的RM疲劳，从而转化为运动能力的提高。4,5,7 因此，就提高运动能力而言，实施高强度RMT以达到最大RM提高并不是RM训练计划的基石。RM 力量的大小与运动能力的变化之间的关系不能用因果关系来表述。25 更有可能的是，RM 力量提高到能使主肌肉抵抗运动引起的 RM 疲劳的程度，会对运动耐受力产生积极的影响。以前的大多数研究都评估了中高阻力 RM 训练对呼吸肌肉和运动能力的作用。19,30 据我们所知，迄今为止，仍很少有证据表明低阻力 RM 训练能改善肺功能和运动能力。据我们所知，有一项研究表明，对年轻健康女性进行为期 4 周的低阻力（PImax 的 30%）RM 训练可改善其吸气肌力（即PImax 的 11% 和 PEmax 的 16%）23；第二项研究表明，对越野滑雪者进行为期 7 周、PImax 约为 37% 的 RM 训练可改善其运动和肺活量参数（即 PImax 的 34%）、14 相反，第三项研究对儿童（11 ± 1 岁）进行了为期 6 周的低阻力（PImax 的 30%）RM 训练，结果显示吸气力量和运动能力均无变化。作者假设，循序渐进、特定和低阻力的 RM 训练可提高 RM 强度和运动能力。预计一些肺功能参数也会发生明显变化，如用力肺活量（FVC）、第一秒用力呼气容积（FEV1）和最大自主通气量（MVV）。

2.方法

2.1.研究对象

实验方案经班戈大学体育、健康和运动科学研究伦理委员会（School of Sport, Health and Exercise Sciences Research Ethics Committee）根据《赫尔辛基宣言》批准（批准代码：Alotaibi）。每位受试者都被告知了研究的潜在风险和益处，并有权随时退出。在参加研究之前，每个受试者都签署了知情同意书。在一项单盲研究中，共招募了 16 名健康、身体活跃的受试者（10名男性，6 名女性）（见表 1）。评估员是一名拥有硕士学位的呼吸治疗师。受试者人数是根据Volianitis 等人7 的数据计算得出的，在 P < 0.01 的情况下，受试者的功率为 90%。根据我们的先验计算，如果α=0.01，效应大小 Cohen's d=1.8，则每组约 8 人的样本量将产生 0.90 的统计功率，该效应大小来自 Volianitis 等人 7 表 1 中公布的成绩结果。参与者曾四次参观班戈大学体育、健康和运动科学学院的实验室。对所有参与者进行了分级运动测试禁忌症筛查，如果出现或有过这些禁忌症，则将其排除在外。有吸烟史或吸烟者也被排除在外。然后，使用计算机生成的数字（www.randomizer.org）将每位受试者随机分配到训练组或安慰剂组。安慰剂组的受试者在研究结束时接受了情况汇报，没有人认为自己被分到了安慰剂组。每次测试前，参与者都会收到一套测试前须知。其中包括避免剧烈运动、测试前 2 小时内不要进食、饮用 500毫升水以确保水分充足、测试前至少 3 小时内避免饮用酒精或含咖啡因的饮料。此外，受试者应保持日常活动和正常饮食。在第一次访问期间，受试者熟悉了所有测试程序。然后，受试者接受肺功能测试。随后进行最大增量跑步机测试，以达到意志衰竭。48-72 小时后进行第二次访问，参与者在跑步机上完成固定工作速率跑步，达到自愿力竭。六周后，重复上述程序，包括上述完整的一系列测试，再进行两次访问。

表 1 参与者的描述性特征。平均值 ±（标准差）。

2.2.训练前评估

每名受试者的身高和体重分别使用静态身高计（Seca bodymeter，德国汉堡）和电子秤（STW-150 KEH，台湾台北）测定。使用自动示波数字血压计（Omron HEM-704 C，Omron Healthcare Inc.）然后，在受试者仰卧位时记录 12 导联心电图（ECG）（Seca CT 3000B，Schiller AG，瑞士），并由合格的生理学家进行解读。所有被诊断为高血压或心电图节律异常的受试者均被排除在外。

2.3.肺功能检测

所有肺功能参数均使用 KeyStone3（垂直干式滚动密封；数据采样率 200 Hz，测量范围 0-10 L，美国 Ferraris 公司）获得。测试前，使用 3 L 注射器进行容量和流量校准检查。当受试者戴着鼻夹、保持坐姿时，测量受试者的用力肺活量（FVC）、1 秒钟用力呼气量（FEV1.0）、25%-75% 之间的用力呼气流量（FEF25%-75%）和呼气峰值流量（PEF）。共进行了三次试验，FVC 和 FEV1.0 的最高测量值被认为是最佳试验。此外，还进行了三次 12 秒钟最大自主通气量（MVV12）的测试，并记录了最高值。在坐位时测量最大吸气压力（PImax）；要求参与者最大限度地呼气至残余容积（RV）。然后，最大限度地吸气至总肺活量（TLC）并保持 1-3 秒。最高负值被视为最佳试验。在坐位时测量最大呼气压力（PEmax）；要求参与者最大限度地吸气至总肺活量（TLC）。然后最大呼气至 RV 并保持 1-3 秒。最高正值被视为最佳试验。所有肺活量测定操作均根据美国胸科学会（ATS）指南32 进行。此外，所有测试均由持有美国国家呼吸护理委员会（NBRC）有效证书的认证肺功能技师（CPFT）完成。

2.4.最大摄氧量

所有参与者在接受 RMT 计划之前和之后都进行了自愿力竭增量运动测试，以确定最大摄氧量（VO2max）。Cortex推车（Cortex 3BMetslyser®, Cortex Biophysik Gmbh, Leipzig, Germany）在环境空气和已知数量的混合气体条件下进行校准。此外，在每次测试前，立即用 3.0 L 校准注射器校准气压计。气体和流量测量值根据环境温度、气压和湿度进行了校正。测试在跑步机（Woodway GmbH, PPS 55 Med, Steinacherstr, Germany）上进行，该跑步机与 Cortex 软件连接，因此可以根据每位受试者的体能水平修改所有方案，并确保跑步机的所有操作都是自动化的。每位受试者首先进行 4 分钟热身，然后将面罩紧紧贴在脸上，并与非呼吸阀相连。测试开始后，先休息 3 分钟，以建立通气和肺气体交换指数基线。在整个测试过程中，跑步机的速度（8-10 公里/小时）保持恒定，速度由受试者选择（改良的巴尔克协议），倾角在每分钟结束时以 1%的速度增加，直至自愿力竭。在所有运动测试过程中测量和/或计算以下参数，并用于后续分析：摄氧量（VO2 毫升/分钟）、呼吸交换率（RER）、分钟通气量（VE 升/分钟）、呼吸频率（RR 呼吸/分钟）和氧气通气当量（VE/VO2）。此外，在每个阶段的最后 5 秒钟还测定了呼吸困难评分、修改后的博格量表（CR-10；博格33）和心率（Polar，芬兰奥卢）。测试期间不提供任何鼓励或反馈。决定最大测试成功与否的标准是 RER ＞1.15，心率大于年龄预测最大值的 90%。

2.5.耗尽时间 (Tlim90%)

运动耐力表现的评估标准是，在接受 RMT 计划前后，达到 90% VO2max 时的耗竭时间。力竭时间（Tlim90%）是指从开始跑步到自愿力竭的时间。与 VO2max 测试类似，受试者完成至少 4 分钟的热身。然后，受试者以相当于最大氧饱和度 90% 的恒定速度和倾角跑步，直至力竭。所有心肺参数的评估方法与 VO2max 测试相同。每分钟结束时测量呼吸困难程度和心率。测试期间不提供任何口头鼓励。所有测试均在恒温（18-22◦）和相对湿度（<70%）条件下进行，使用 HiGlo 433 MHz 无电缆温度计（Oregon Scientific Inc, Tualatin, Ore-gon, USA）测量。在可能的情况下，将参与者安排在一天中的同一时间（±1 小时）进行复测，以减少昼夜效应引起的波动。

2.6.呼吸肌训练

本研究使用的是美国 Respironics 公司生产的 THRESHOLD® 吸气肌肉训练器。根据制造商的建议，正确使用 THRESHOLD® 设备需要受试者保持舒适的直立坐姿。需要使用鼻夹防止鼻腔呼吸。受试者需要将吹嘴放入口中，并保持嘴唇密封。受试者必须缓慢呼气，直到达到接近残余容积 (RV)。然后，受试者需要深吸气，用足够的力量打开气门并保持深吸气，直到达到接近总肺活量 (TLC)。最后一个阶段是通过设备缓慢呼气。受试者知道过度换气可能会导致呼吸性碱中毒，随后可能会出现头晕。为了降低这些影响的可能性，我们要求受试者在做完第 5 个动作后暂停 20 秒。在这项研究中，第一周的训练时间为每天一次，每次 15 分钟，训练量为 PImax 的 10% 到 25%。然后，PImax 的百分比增加到 30%，每天两次，每次 15 分钟。根据基线评估得出的 PImax 值计算 IMT 的训练水平（见肺功能测试），并相应调整设备的吸气压力阻力，即调整设备刻度上的负荷（厘米水压）。因此，训练方案的结构是从非常低的阻力开始，然后逐渐增加（见表 2）。安慰剂组的参与者使用的是相同的装置，通过将装置的薄膜完全打开，使其几乎没有吸气阻力，并按照相同的方案进行训练。第一次训练在班戈大学的生理实验室进行，以确保程序正确，之后的训练在受试者家中进行。我们提供了一份日记记录表来记录训练课程。

表 2 呼吸肌训练方案

2.7.统计分析

采用混合方差分析来检验治疗（RMT 或安慰剂）对每个因变量的组间效应以及干预（治疗前和治疗后）对每个因变量的组内效应：PImax、PEmax、FVC、FEV1.0、PEF、FEF25-75%、MVV12、VO2max 和 Tlim90%。Shapiro-Wilk 检验和 Levene 检验分别用于检验正态性和同质性。所有显著的交互作用都通过计划的配对比较、配对样本 t 检验和独立 t 检验来进行显著性分配，并使用 Bonferroni 调整来修正每个家庭的 I 型误差。最小可检测变化（MDC）的计算方法为标准测量误差（SEM）*1.96*。和 SEM 计算为标准差 (SD)*。混合模型计算类内相关系数（ICC）。

3.结果

在 14 名参与者中（7 名在训练组，7 名在安慰剂组），根据日记卡显示，所有参与者都完成了训练计划。训练组的受试者在呼吸训练课后报告了呼吸道肌肉的副缝合和酸痛。PImax、PEmax、FVC、FEV1.0、PEF、FEF25-75%、MVV12、VO2max 和 Tlim90% 的 Shapiro-Wilk 和 Levene 检验结果均为 P > 0.05，证实了正态性和同质性。F 统计数据见表 3。

表 3 双向混合方差分析和事后分析结果。

3.1.呼吸肌强度和肺活量

在进行六周的 RMT 后，发现各组与时间之间在 PImax、PEmax 和 FVC 方面存在显著的交互作用。训练组的 PImax 有显著增加（P = 0.012），从平均值（MV）± 标准差（SD）（130.5 ± 19.9 cm H2O）增加到 149.2 ± 19.7 cm H2O。这表明 PImax 比基线增加了 14.3%（见表 4）。安慰剂组未观察到明显增加。训练组的 PEmax 值有显著改善（P < 0.001），从 128.1 ± 25.9 cm H2O 升至 162.9 ± 29 cm H2O，比基线值提高了 27%。安慰剂组随着时间的推移没有明显增加（图 1）。正向科恩氏 d 计算显示，PImax 和 PEmax 的影响较大（分别为 1 和 1.3）。只有 RM 训练组的 FVC 值在六周的训练后有明显改善（P < 0.01）。FVC 从 5.51 ± 1.7 (l/min) 增加到 5.71 ± 1.7 (l/min)，比训练前增加了 3.6%。安慰剂组未观察到明显变化。FEV1.0从 4.46 ± 1.2 (l/s) 增加到 4.50 ± 1.2 (l/s)，但这一变化与安慰剂组的变化没有显著差异。此外，PEF 和 FEF25-75% 的平均值在训练组和安慰剂组都没有显著变化。此外，训练组与最大自主通气时间（MVV12）之间也没有显著的交互作用。

表 4 IMT 检测前与检测后的对比。平均值 ± SD。

图 1.呼吸肌训练（RMT）对呼吸肌强度的影响，PEmax = 最大呼气压力，PImax = 最大吸气压力。

3.2.运动表现

在最大摄氧量和Tlim90%方面，各组与时间之间存在显著的交互作用。在训练组中，训练后的运动测试结果显示，最大摄氧量（VO2max）和力竭时间（Tlim90%）测试有显著提高（图 2）。最大摄氧量从 45.1 ± 9.3（毫升/千克/分钟）增加到 50.1 ± 11.3（毫升/千克/分钟）（P = 0.003），Tlim90% 从 15.35 ± 4.9（分钟）增加到 19.19 ± 5.1（分钟）（P = 0.014）。这些变化意味着最大氧饱和度和 Tlim90% 分别提高了 11% 和 25%。后验 Cohen's d 计算显示出大到中等的效果（分别为 0.9 和 0.5）。安慰剂组未观察到明显变化。由于训练组和安慰剂组之间的年龄差异可能会对 VO2max 的结果产生影响，因此我们对基线年龄和体重差异进行了方差分析。我们发现，两组之间测试后的 VO2max 差异仍有统计学意义，F(1,11) = 5.917，P < 0.0001。此外，我们在最大心率方面没有发现任何交互作用，但在安慰剂组发现了简单的时间效应，该组在测试后显示出较低的最大心率。重要的是，最大测试结束时的体力评价（RPE）没有显示出任何显著差异。训练前后，两组的体重均无明显变化。此外，无论是训练组还是安慰剂组，VE 或 RR 都没有明显变化（见表 5）。

表 5 IMT 检测前与检测后的对比。平均值 ± SD。

图 2.呼吸肌训练（RMT）对运动成绩的影响，VO2max = 最大耗氧量，TTE = 精疲力竭时间。

4.讨论

本研究的主要发现是，渐进式和特定的低阻力吸气肌肉训练可增强健康受试者的RM强度和耐力运动能力。

4.1.呼吸肌力量

本研究的结果是，在 30% PImax 的训练强度下，PImax 提高了 14%，而在对年轻健康女性进行的早期研究中，相同的强度和类似的方案使PImax 提高了 30%。23 其他研究小组报告说，在 50% PImax 的训练强度下，PImax 分别提高了 10%、8% 和 41%。此外，PImax 提高的幅度似乎与 RM 力量的基线值成反比。换句话说，PImax 基线值低的受试者会比那些开始训练时 PImax 值高的受试者表现出更明显的改善。这似乎与在慢性病患者中发现的结果一致，28在 7 项研究（共 202 名受试者）中，采用低阻力（PImax 的 30%）的净变化分析得出的加权平均差异等于 28.42（95% CI 12.37-44.46）cmH2O（详见参考文献 28 中的图 2）。在本研究中，PImax 的平均值从 130 cm H2O 增加到 149 cm H2O。23 值得注意的是，另一项荟萃分析对不同项目的耐力运动员（即自行车、耐力跑道运动、间歇性冲刺型运动、赛艇、游泳、跳水和特种部队运动员，共 352 名受试者，包括对照组，详见参考文献图 5）进行了高阻力 RPR 训练。30 此外，同一项研究还显示，游泳和跳水等运动员的情况也没有改善。先前的研究表明，RMT 后 PImax 的改善幅度受呼吸肌力量基线水平、训练模式、强度和持续时间以及体能水平的影响。在本研究中，虽然训练计划的目的是增强吸气肌的力量，但 PEmax 显示出了令人印象深刻的改善，这与其他研究11,26 有些不同，但与 Suzuki等人的研究结果一致、23 有几种可能的原因可以解释这种改善：首先，在训练过程中，呼气肌被征召以进行有力的呼气，有研究表明，运动引起的腹横肌/腹内斜肌的激活可能会调节呼气压力的增加39；其次，外侧肌和胸骨旁肌在吸气和呼气时都具有机械优势40。41 这些因素共同或单独作用，可能会使本研究中观察到的 PEmax 显著提高。

4.2.肺活量

在以往的研究中，RM 强度与代表呼吸系统弹性特性和阻力的血流-容积环路参数之间的关系并不确定。然而，其他参数（FEV1、PEF 和 FEF25-75%）保持不变。这些数据与早期的研究结果一致。10,36 之前的研究结果不一致的原因可能是不同的 RMT 方案和/或在进行肺活量测定时提供的指导不同。大多数肺功能技师强调用力呼气，在呼气动作之前的深吸气阶段很少或没有鼓励，这可能是造成误差的一个原因。43 我们的肺活量数据是由经认证的肺功能技师获得的，并考虑了 Enright 的意见。此外，大多数未能检测到肺活量变化的研究仅报告了吸气肌力的改善，而呼气肌力保持不变或未知11,12,26，而我们的结果显示吸气肌力和呼气肌力均有改善。因此，FVC 的改善可以解释为 RM 能够在吸气时产生更多负压并将空气完全呼出至残气量。此外，目前 RMT 项目的性质要求在 TLC 附近对肺部进行长时间的吸气。这种机制被认为是表面活性物质释放的生理触发器，随后可改善肺顺应性和弹性。

4.3.运动表现

耐力运动耐受性（Tlim90%）的提高伴随着最大氧饱和度（VO2max）的增加，但与分钟通气量或呼吸频率的变化无关，这是本研究的主要发现。在进行 RMT 后，VO2max 的增加可归因于大运动量时氧饱和度的增加4 或 RM 耗氧量的减少45 。此外，肌肉交感神经活动（MSNA）的减弱也会导致最大氧饱和度的提高。47 最大氧饱和度（4.3 毫升/千克/分钟）与 RMT 组中观察到的变化（5.0 毫升/千克.毫升）相比，可检测到的变化极小，最大心率和最大 RPE 也没有相互作用，这似乎证实了最大氧饱和度的提高可能是由于更好的氧气提取所致。不过，我们在这项研究中没有测量氧气输送量，因此今后的研究应侧重于这方面。运动成绩提高的幅度似乎与 RMT 的强度无关。我们的研究结果表明，以 30% 的 PImax 进行训练后，Tlim90% 提高了 25%，而其他采用 50% 训练强度的研究报告25,36 则显示分别提高了 21% 和 26%。10 令人惊讶的是，Guenette等人25 发现，PImax 增加最多的受试者的运动表现变化最小。因此，可以得出结论，运动成绩的提高与RM 抗疲劳能力的关系大于其他因素。事实上，在本研究中，并没有在第一次 Tlim90% 测试后立即测量 RM 疲劳的程度，但根据以前的报告，4,5,48,49 可以推测这种疲劳的存在。RM 疲劳的发生与这些肌肉的力量有关。29 因此，在没有其他系统反应的情况下，本研究中运动成绩的提高可归因于马立克力量的增加，以及随后阻力的增加和/或马立克疲劳发生的延迟。RM收缩特性的变化27 很有可能是在长时间大运动量运动时 RM 抗疲劳能力增强背后的人体工程学因素。

4.4.局限性

除了缺乏对呼吸肌疲劳的直接测量外，这项研究的主要局限性还在于其规模较小，仅有 4 名女性，这就需要在未来进行更大规模的研究；使用的是健康的体力活动者，他们的有氧能力可能尚未达到人群平均水平以上，这意味着这项研究中看到的改善可能难以在训练有素的人群中复制。此外，在这项研究中，最大氧饱和度和力竭时间被用来评估心肺耐力的表现。然而，运动成绩还取决于技术和心理因素50。

5.结论

这项研究表明，低阻力 RMT 计划足以明显改善从事娱乐活动的成年人的呼吸肌力量和运动耐受性。还需要进一步研究低阻力 RMT 在训练有素的受试者和临床环境中的作用。