運動生理週訊(第353期)
馬拉松比賽的運動心跳率(March.3.2017)
王順正、林玉瓊、王鶴森
2017 臺北渣打公益馬拉松 (Taipei Standard Chartered Marathon, 2017年2月12日)，是台灣目前最受歡迎的馬拉松比賽之一。臺灣師大體育學系王鶴森教授參加男50-59歲全程馬拉松比賽，比賽成績大會時間03:33:02、個人時間03:32:34 (11.9 km/hrs)，總名次318名 (3167人、89.99%)、分組名次39名 (515人、92.62%)、性別名次302名 (2721人、88.94%)。
透過garmin Fenix hr3的手腕裝置 (手錶)，紀錄鶴森教授馬拉松比賽全程的運動心跳率，發現51歲的鶴森教授運動心跳率最大值為197 bpm、平均心跳率為178 bpm，依據Garmin運動心跳率區間5的運動時間長達02:41:35 (佔運動全程76%)、區間4的運動時間為44:01 (佔運動全程21%)，區間3的運動時間為7:01 (佔3%)。實際上，比賽過程的手錶記錄溫度介於16℃至26℃之間 (根據中央氣象局的記錄，當天6:00∼10:00的氣溫是12.7-14.4 ℃！)，比賽路程的海拔高度變化也不大。
3小時30多分鐘的馬拉松跑步期間，盡管前面2個半小時的跑步速度相當一致，大約都在每公里4分50秒左右，但是心跳率在前面40分鐘逐漸的由150 bpm增加到180 bpm，然後維持這個心跳率長達2小時左右，一直到鶴森教授在2小時30分鐘左右停下來補充水分，同時跑步速度慢慢降低，心跳率在這個時候出現約十幾分鐘的降低現象，最後約50分鐘的時間，盡管跑步速度已經顯著的降低，心跳率仍然又逐漸增加到180 bpm，一直到比賽結束。
依據運動生理學的基本概念來看，以高於220-年齡的最大心跳率預測值 (鶴森教授預測的最大心跳率為220-51歲=169)，持續運動超過2小時的現象 (實際上鶴森教授運動過程時的心跳率超過180 bpm)，實在是超乎運動生理學理論範圍，可是這又是實際存在的事實。
馬拉松比賽各公里配速與心跳率對照圖
長時間運動時的心跳率不穩定現象，其實經常出現於長時間的耐力運動上。王順正 (1999) 在運動生理週訊第17期「運動強度的判定(心跳率)」中，有討論到利用心跳率來評量運動強度時，「運動時間太長時，可能形成心跳率評量運動強度百分比的失真」的問題。Wagner and Housh (1993) 提出心跳穩定閾值強度 (physical working capacity at the heart rate threshold, PWCHRT) 的概念時，即發現只有在極輕的強度運動時，心跳率才有可能出現穩定。就算運動的強度不高，長時間的運動時，要讓心跳率維持固定其實是相當困難的。Coyle與Gonzalez-Alonso (2001)、王予仕 (2006) 、王順正與林玉瓊 (2014) 指出這種運動心跳率會隨運動時間增加的特殊運動生理現象，稱為「心血管循環轉變 (cardiovascular drift)」或稱為「心臟循環轉變 (cardiac drift)」。
Coyle 與 Gonzalez-Alonso (2001) 的研究，整理過去的相關研究文獻發現，當以中等強度運動時間超過10分鐘後，心跳率會因為心臟每跳輸出量 (Stroke Volume, SV) 與平均動脈壓 (Mean Arterial Pressures, MAP) 的降低，進而造成心跳率的漂移轉變 (drift) 現象 (下圖左)。而且，人體長時間運動 (超過20分鐘長時間運動) 時，因為流汗與水分供應不足，會導致總血液量、平均動脈壓、心輸出量、心臟每跳輸出量等生理現象下降，進而造成運動時的心跳率上升 (下圖右)。運動過程的水分流失、體溫增加、交感神經活動提高都可能是造成心血管循環轉變的原因 (王順正與林玉瓊，2014)。Wingo, Ganio 與 Cureton (2012) 的研究指出，心血管循環轉變是指人體在中等強度運動下，持續運動超過10分鐘後，開始出現心跳率逐漸增加、心臟每跳輸出量逐漸減少的生理現象，這種現象將可能會伴隨出現相對強度增加、最大攝氧量降低的狀況。
運動時心血管循環轉變的特殊生理現象 (Coyle & Gonzalez-Alonso, 2001)
Hartwell, Volberding 與 Brennan (2015) 以20名大學男性划船選手為對象，進行65%HRR強度的划船運動60分鐘，研究結果發現受試者平均心跳率在運動開始後就有逐漸增加的現象 (運動後3分鐘的划船負荷為 199.95±25.63 watts、平均心跳率為149.16±6.67 bpm，運動第60分鐘的划船負荷為199.40±23.77 watts、平均心跳率為 168.37±8.43 bpm，右圖)。由此可見，65%HRR強度的60分鐘長時間划船運動，確實也會有心血管循環轉變現象。
但是，Mikus等 (2008) 針對DREW (Dose Response to Exercise in Women) 的研究中，發現針對326位平均年齡57歲、體重過重 (BMI 25-34)、停經的坐式生活型態女性，進行4 kkw (kilocalories per kilogram body weight per week, 每週進行每公斤體重4千卡的能量消耗)、8 kkw、12 kkw的運動時 (強度約50%VO
2peak、3 METS、平均運動心跳率約106-108 bpm)，經過24分鐘、42分鐘、60分鐘的長時間運動後，運動最後階段的心跳率僅增加1-4 bpm、METS則都沒有改變。似乎當運動強度低到攝氧峰值得50%時，心血管循環轉變的現象就會不明顯？
事實上，王順正、林玉瓊 (2014) 在
運動生理週訊第311期「心血管循環轉變對運動心跳率判定運動強度的影響」 的文章中指出，在熱環境下運動時，運動心跳率評量運動強度的百分比顯然會有高估現象，而且運動時間越長高估的幅度越明顯。而且，當環境溫度增加、沒有使用散熱設備的情境下，運動心跳率確實會逐漸增加，提高了運動心跳率判定運動強度的困難度。「使用運動心跳率判定運動強度、或者以運動心跳率控制運動強度時，有必要針對環境溫度、濕度等，可能影響運動心跳率高低的變項，提出必要的說明，做為高估運動強度幅度的判定依據」。
對於王鶴森教授參加馬拉松比賽過程的運動心跳率變化來看，就算環境溫度在12-15 ℃，運動心跳率的心血管循環轉變狀況仍然相當顯著，而且出現超過最大心跳率的時間長達2小時40分鐘以上的狀況。有鑑於此，運動強度、運動時間、運動者體能狀況、…對於心血管循環轉變的影響為何？將是馬拉松比賽過程監測運動心跳率價值的重要條件。
引用文獻
王予仕 (2006)。運動時的心血管循環轉變(cardiovascular drift)。運動生理週訊，218。http://www.epsport.net/epsport/week/show.asp?repno=218
王順正 (1999)。運動強度的判定(心跳率)。運動生理週訊，17。http://www.epsport.net/epsport/week/show.asp?repno=17
王順正、林玉瓊 (2014)。心血管循環轉變對運動心跳率判定運動強度的影響。運動生理週訊，311。http://www.epsport.net/epsport/week/show.asp?repno=311
Coyle, E. F., & Gonzalez-Alonso, J. G. (2001). Cardiovascular drift during prolonged exercise: new perspective. Exercise and Sports Science Reviews, 29(2), 88-92.
Hartwell, M. L., Volberding, J. L., & Brennan, D. K. (2015). Cardiovascular drift while rowing on an ergometer. Journal of Exercise Phyiology, 18(2), 95-102.
Mikus, C. R., Earnest, C. P., Blair, S. N., & Church, T. S. (2008). Heart rate and exercise intensity during training: observations from the DREW study. British Journal of Sports Medicine, 43(10), 750-755.
Wagner, L. L., & Housh, T. J. (1993). A proposed test for determining physical working capacity at the heart rate threshold. Research Quarterly for Exercise and Sport, 64(3), 361-364.
Wingo, J., Lafrenz, A. J., Ganio, M. S., Edwards, G. L., & Cureton, K. J. (2005). Cardiovascular drift is related to reduced maximal oxygen uptake during heat stress. Medicine and Science in Sports and Exercise, 37(2), 248-255.
Wingo, J. E., Ganio, M. S., & Cureton, K. J. (2012). Cardiovascular drift during heat stress: implications for exercise prescription. Medicine & Science in Sports & Exercise, 40(2), 88-94.
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