可穿戴呼气末正压阀可提高运动表现

作者：Stephen F. Crouse, Jason R. Lytle, Sean Boutros, William Benton, Michael  Moreno, Patrick C. McCulloch, Brad S. Lambert

翻译：左鲁玉 / 校对：王宇，李新

呼气末正压（PEEP）的定义是呼气后仍存在于肺和气管内的高于大气的正压。PEEP在临床人群中得到了广泛的应用，并通常伴有机械通气。3 ~ 5 cmH₂O PEEP可使各种肺部并发症(包括慢性阻塞性肺病[COPD]、急性呼吸窘迫综合征和严重呼吸衰竭)患者的跨肺压和肺泡募集增加。在这些组中，PEEP 已被证明可减少肺分流，改善动脉氧合（PaO2）同时增加功能余气量，减少呼吸做功。增加PEEP和O₂吸入比例，是患者机械通气提高氧饱和度和PaO2水平的主要方法。

虽然在呼吸科中使用PEEP已被广泛接受，但直到目前为止，PEEP对健康运动者运动益处的可能性还没有被探索。本研究中测试的轻型可穿戴PMP利用使用者自身的呼气力产生轻度(4.2 cmH₂O)PEEP，对吸气几乎没有限制。因此，PMP可以在运动训练和比赛中轻松使用，理论上可以改善PaO2。人们早就知道运动员的PaO₂的增加可以提高运动能力。在此基础上，我们假设佩戴PMP可以提高有氧耐力。因此，我们设计了两个类似的实验来回答一个单一的问题：佩戴PMP是否能使进行高强度自行车耐力运动的健康、运动的男性和女性在运动表现上获得优势?

材料和方法

研究对象

32名成年男性和女性回应了通过口述和电子邮件方式的广告来参加实验。其中19名符合纳入标准: 1）自我报告身体健康，无已知的高强度运动禁忌；2）持续每周3天至少6个月的有氧运动训练；3）能够按照要求的时间表去完成所有阶段的测试（表1 人口统计）。研究流程经评审委员会批准（IRB PR000020755），且所有志愿者均在试验前签署知情同意书。

PMP的描述

本研究中使用的PMP是一种自给式呼吸装置（图1）(专利号#10,252,021and #9,555,201 B2) 与体育运动中经常使用的传统的中央开口式护嘴相似，该装置有一个呼吸口，允许助力或无助力的无间断吸气。

当呼气时，一个薄且轻的硅质阀门阻挡中央呼吸口。当呼出的压力大于4.2 cmH₂O时，弹簧控制的呼吸口外边缘打开，气体从小开口中吹出，从而对佩戴者产生轻微的PEEP。咬嘴还具有齿间部分和颊凸缘，用于在碰撞中保护牙齿，并提供咬面以确保咬嘴能够固定在口腔内。最后，用于运动的PMP设备设计了一个更大的唇罩，进一步保护用户的嘴唇和嘴免受接触。

测试流程

本研究的所有流程都在独立签约的第三方实验室(矫正生物力学研究实验室，休斯顿卫理公会医院，休斯顿TX)进行。实验室海拔高度为海平面以上15米(101 325 Pa)，所有测试的环境条件均控制在温度23℃，相对湿度23%。两项独立的实验分别使用同样的运动程序，但受试者群体不同。实验-1目的是比较PMP与市售咬嘴(Battle Sports Science®)作为对照组的最大骑行表现。除了比较佩戴PMP与NMP呼吸时的骑行表现之外，实验2流程与实验1相同。所有的运动都是在标准化的实验室条件并在同一台电子制动自行车测功机(Corival, Lode®)上进行的，由同一位研究者监督，在运动期间给予受试者口头鼓励。

使用校准过的集成心电图仪(Ultima, MGC Diagnostics®)的代谢车对气体交换和心率（HR）进行连续测量。实验1和实验2的受试者在时间节点1进行最大GXT, 72小时后返回实验室进行时间节点2测试，用VT强度完成(方法如下)VTER。接下来的1周，受试者在替换咬嘴的条件下，返回实验室以相同的顺序完成运动测试 (时间节点3和4的测试)，一天之内的时间和星期几都与之前的测试一致。咬嘴的顺序随机分配。所有测试的热身如下：100 W自选转速骑3分钟，坐位休息1分钟，无阻力骑行1分钟，然后开始测试。每个受试者在测试中的转速都与首次测试中选择的转速相同。

GTX

实验1和实验2中的GXT由每个受试者在他们的实验室访问的时间点1和3完成。在上述的热身之后，受试者从150W的初始运动负荷和自选转速开始测试，然后每2分钟增加30 W，直到力竭。从测试开始到受试者的踏板转速比他们自选的初始转速低10的时间被记为GXT TTE。每2分钟和结束时记录以下变量:HR,VO₂ (ml*min^-1 and ml*kg^-1*min^-1), VCO₂ (ml*min^-1)，每分通气量RER，MAP，RP，以及由同一位熟练的技师通过手动测量的收缩压和舒张压。至少满足以下两个标准时，达到VO_2peak：负荷增加时VO₂到达平台（即不继续增大），RER≥1.2, RPE≥17和HR>85%的年龄预测最大HR。力竭时，去除自行车测功机上的阻力，受试者以自选的转速骑行5分钟来恢复。在恢复期第1、3和5分钟时，记录除RPE外的上述变量。

自行车VTER

使用GXT测试的数据，使用V-Slope方法计算每个受试者VT的VO₂。通过分段的VO₂和功率输出的线性回归估计每个受试者的VT等效功率(W)，然后将其用于GXT后72小时的VTER(第2和第4次测试)。在规定的热身之后，受试者被要求保持自选的RPM和VT功率输出，直到上述的力竭为止。在VTER和5分钟恢复期，每2分钟评估每名受试者的HR、RPE、BP和气体代谢指标，方法与GXT期间相同。

结  果

平均VO₂峰值如下(平均值±95%CI)：实验1女性 =42.9±7，男性=42.2±6；实验-2女性=40.0±7，男性=42.8±3.2。主要结局变量结果见表2、表3以及图2、图3。与CON和NMP相比，PMP组峰值运动时GXT VO₂和O_2pulset显著增加(3.1%-6.7%，ES范围从0.32[S]到0.49[M])(图2A-D)。在不同的咬嘴条件下，次最大阶段测得的V ̇O_2没有差异。此外，PMP组VT的VO_2与NMP相比升高了7% (ES0.49[M])(图2F)。虽然不显著，但与CON相比，PMP的VT升高了4%以上(图2E)。这些发现对应PMP组更高的GXT-TTE(PMP vs CON=+26 ±5 s , +5.8 ±1.4%, ES 0.12[S])：PMP比NMP =+25±8 s , +5.9±1.74%,ES 0.16[S]) (图 3A和B)。与CON和NMP相比，VTER期间PMP的TTE升高了13%以上，但这些差异均无统计显著性(图3C和D)。在VTER期间，PMP的收缩压比CON高约4%(表3)。

讨  论

医学实践已经证实，在临床人群中应用PEEP对肺功能、动脉氧合和减少运动后呼吸困难具有可测量的益处。此外，COPD患者在自行车运动过程中，PEEP与吸气压力支持相结合可增加运动耐受性，降低呼吸困难评分。在我们自己的研究之前，只有一项已发表的研究是将PEEP应用于进行运动的健康成年人。Nespoulet等人报道，在海拔4 350米的常压和低压条件下，PEEP可显著增加健康男性的动脉和股四头肌的氧合。

本研究首次表明，在最大运动期间穿着新型PMP施加轻度PEEP，可以提高健康、中度受训男女性的自行车耐力表现。尤其是：1）无需培训如何使用PMP; 2）开始使用时运动表现立即提高；3）VO2_peak增加>4%，以及GXT-TTE增加大约6%，约达到竞技跑步者21-27天的“高生活，低训练”方案下3-5%的增加。此外，PMP提供的最小呼气阻力并没有改变剧烈运动时的呼吸模式。在VTER和GXT期间，三种咬嘴条件下的平均通气率和峰值通气率没有显著差异(表2和3)证实了这一点。

PMP的使用使VT提高了4.1%-7.4%(图2E和F)。相对于VO2_max，VT增加已被证明与耐力表现的改善有关，提高VT通常是耐力训练的目标。其他研究表明，通常需要至少8-12周重复的高强度训练才能达到或超过VT基线。与此相反，在我们的研究中，PMP在没有事先训练的单次高强度运动中增加了VT。虽然用PMP进行训练的研究尚未完成，但我们认为PMP的较高VT能使竞技运动员以相对较高的强度训练，减少乳酸累积和pH值变化。

PMP还促使VTER期间TTE增加13%-14%(图3C和D)。虽然这对竞技运动员来说是有益的，但在我们的研究中，这种改善没有达到统计显著性。事实上，我们建议要谨慎解读GXT-TTE和VTER TTE的发现。其他人已经表明TTE受到一些难以控制的干扰因素的影响，这些因素可能导致我们研究中注意到的个体反应的巨大差异(图3)。此外，已经证明使用TTE预测实际自行车计时赛成绩是不可靠的。尽管存在可靠性问题，但其他研究已经表明TTE对耐力表现的变化是敏感的。在此基础上，我们认为GXT-TTE的显著增加至少代表了受试者使用PMP时耐力表现的真实变化。然而，由于我们没有进行自行车计时赛试验，因此不能推断PMP在计时赛试验中的表现是否提高。

GXT进行最大运动时，PMP的O_2pulse相对较高，这与本研究中测量到的VO2_peak升高一致。由于O_2pulse是心脏每搏量的函数，我们推测，与CON或NMP条件相比，PMP在最大运动时诱发了该变量的增加。虽然在我们的研究中没有直接测量搏出量，Bhambhani已经表明，在健康的男性和女性中，通过O_2pulse可以合理地预测这一心血管表现变量。将Bhambhani的回归应用到我们的数据中，我们的受试者在两个实验中平均估计搏出量增加约3-4%。PMP的这种增加至少部分解释了VO2_peak的改善。

虽然我们没有设计实验去研究PMP改善运动表现的机制 (例如，VO_2peak)，但临床文献表明，轻度PEEP可以改善肺泡募集和减少肺分流。我们也指出PMP在设计和功能上与现已应用到运动训练中的高原训练面罩有所不同（例如，Welnetz的专利设计）。相比之下，高原训练面罩一般通过使用过滤器来降低吸入空气的氧密度，并提供吸气和呼气呼吸阻力来模拟高海拔。Porcari等人报道了面罩训练对改善中度受训成人的VO_2max没有显著优势，并得出结论，面罩并不能模拟高海拔。其他发表的研究大多支持这些发现。目前还没有发表的研究表明，在比赛中或实际进行一次大负荷训练时(如在运动测试中)使用高原训练面罩会对运动表现有好处。这与使用PMP进行一次练习阶段实现的表现改善形成了对比。

结  论

我们的研究结果表明，轻量可穿戴PMP产生的轻度PEEP是一种有效和安全的方法，可以提高大强度、最大负荷的自行车运动中的表现。虽然PMP是否能够增强不同训练时间、强度和方式的长期耐力训练还有待确定，但是这样训练是有好处的。当氧气供应限制运动时，例如在高海拔，在某些心肺疾病的情况下，或当急救人员必须戴个人防护口罩时，这项技术也可能是有用的。未来的研究需要确定影响PMP效果的机制，以及在其他受过训练和未受过训练的男性和女性中进行其他运动方式来验证这项发现。

原文文献：

Stephen F. Crouse, Jason R. Lytle, Sean Boutros, William Benton, Michael Moreno, Patrick C. McCulloch, Brad S. Lambert. Wearable positive end-expiratory pressure valve improves exercise performance[J]. Sports Medicine and Health Science, 2020,  2(3): 159-165.

更多阅读：