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運動生理週訊(第336期)

心跳率控制跑速變異(March.1.2016)

王順正

　　提供一個有效的心肺耐力簡易評量方式，一直是運動生理學研究的重要課題之一。然而，設計一套專門用在跑步機 (treadmill) 與健身運動器材，進行心肺耐力評量的簡易測驗流程，則少有研究進行探討。

　　透過漸增強度的測驗方式，進行最大攝氧量 (maximal oxygen uptake，VO₂max) 或無氧閾值 (anaerobic threshold, AT) 測驗 (林正常，1995) ；幾個固定強度的最大努力衰竭運動方式，進行臨界負荷 (critical power, CP) 與臨界速度 (critical velocity, CV) 測驗 (王順正與林正常，1992；Lin & Wang, 1999) ；幾個固定強度的固定時間運動方式，進行肌電圖疲勞閾值 (electromyogram fatigue threshold, EMGft; Moritani & deVries, 1980) 測驗、最大乳酸穩定強度 (maximal lactate steady state, MLSS; Aunola & Rusko, 1992) 測驗等……，都是在實驗室中經常採用的心肺耐力測驗方式。其中，以漸增強度的VO2max測驗，被認為是評量心肺適能的最標準測驗。不過，昂貴設備的限制與複雜的檢測流程，使得VO₂max測驗僅能在一些醫院或運動生理學實驗室中進行。事實上，有一些健身俱樂部級或實驗室專用的跑步機，可以透過類似VO₂max測驗的檢測流程 (protocol，例如Bruce測驗流程) ，在沒有攝氧分析系統的條件下，用來推算受測者的VO₂max。可是，受測者往往需要持續運動到衰竭，才能夠獲得有效的測量結果；用來測驗的跑步機，則往往需要具備較大坡度 (20%至25%) 的功能。

　　採用35至50公分高的台階，進行3或5分鐘的非最大運動 (submaximal exercise) 登階測驗 (行政院體育委員會，2000) ；透過固定距離 (1600公尺或3000公尺) 的最大努力跑步時間測驗 (教育部，2000；國防部，1993) ，以及固定時間 (12分鐘) 的最大努力跑步距離測驗等，都是在進行大樣本的心肺適能測驗時，不得不選擇的簡便測驗方法。可惜，登階測驗受到年齡 (年齡大者，HRmax下降) 與個別能力差異 (心肺耐力佳者，相對的強度百分比下降) 的顯著影響 (王順正與林正常，1996) ，造成登階測驗的信度與效度受到質疑；固定距離與固定時間的跑步測驗，則受到受試者是否認真參與測驗的限制。王錠堯與王順正 (2004) 、呂盈賢 (2005) 分別進行跑步機與田徑場的心肺恢復指數 (同時考量運動時心跳率高低與運動後的心跳率恢復) 測量，不僅可以控制運動測驗時的強度高低 (透過心跳率監測) ，還可以依據受試對象的年齡差異進行目標心跳率的調整，是有效的心肺耐力測驗方向。不過，這樣的測驗方式還要記錄停止跑步後的心跳率恢復時間，用來作為跑步機測驗心肺耐力的流程時，似乎仍有無法立即獲得測量結果的缺陷。

　　跑步的CV測驗流程，僅需要一部跑步機進行幾個固定強度的最大努力跑步，可以說是目前直接應用跑步機進行心肺耐力評量的最普遍方法 (Lin & Wang, 1999) 。可惜測驗時，幾次最大努力的跑步時間測驗，往往是受測者艱苦、效率卻不佳 (往往要測驗三次衰竭以上) 的心肺耐力評量。後來，吳忠芳 (2002) 研究發現，非最大跑步運動的攝氧量 (80%VO₂max) 與心跳率 (90%HRmax) 變化情形進行的CV推算，是有效的CV測驗方法 (受測者可以不必跑步到衰竭) ；王順正、吳顥照、王錠堯、林正常 (2005) 則以非最大運動的間歇測驗流程 (利用心跳率進行監控) ，在一次的測驗中、進行四次間歇的跑步測驗，可以獲得有效的CV測量結果。這些僅透過跑步機與受試者心跳率變化特徵進行的CV評量，雖然可以有效評量受測者的心肺耐力，但是，測驗過程仍然需要重覆進行幾次 (至少二至三次) 非最大運動測驗，實際應用在跑步機測量心肺耐力的設計時，仍然有其測驗流程上的限制。

　　在原來的心肺耐力評量概念下，不管是漸增強度的最大運動測驗流程、幾個固定強度的最大運動測驗流程、幾個固定強度的非最大運動測驗流程、控制運動強度與運動後恢復的恢復指數測驗流程等……，要在跑步機上設計簡單方便的心肺耐力有效測驗流程，並且同時可以考量受測者年齡差異、體能水準等變項，顯然是有困難的。

　　心跳率與運動強度的高低成正比嗎？事實上，人體運動時的心跳率高低，不僅受到運動強度的影響，也受到運動時間長短的影響。在中等強度下的固定速度運動時，心跳率並不會出現穩定狀況 (steady state) 。Perry, Housh, Johnson, Ebersole, and Bull (2001) 的研究及指出，透過心跳穩定閾值強度 (physical working capacity at the heart rate threshold, PWC_HRT) ( Wagner & Housh, 1993) 方法，測驗的PWC_HRT測驗結果，不管以80%、100%、或120%PWC_HRT的強度進行原地腳踏車的長時間運動，心跳率都不會出現穩定狀態。楊群正 (2005) 的研究也發現，以58% VO2max強度跑步1小時的運動過程中，跑者VO₂並不會因為運動時間的增加而改變，心跳率卻從第10分鐘的每分鐘148次增加到第60分鐘的每分鐘162次。這種中等強度運動時心跳率不會穩定的特殊生理現象，如果具有隨著心肺耐力優劣出現不同的心跳率上升情形，就可以透過這個心跳上升率的差異情形，用在跑步機評量受測者心肺耐力上。

運動生理週訊第336期心跳率控制跑速變異

不同負荷下踩車的心跳率變化圖(Perry, Housh, Johnson, Ebersole, & Bull, 2001)

　　相反的，如果以心跳率控制 (heart rate control) 的方式，進行跑步機的跑步運動，為了維持心跳率的數值，跑步機的速度就不得不持續的下降，這種心跳率控制的跑步機速度下降率的運動生理現象，顯然與跑者的心肺耐力有關。跑步機80%HRmax的心跳率控制跑速變異 (running speed variable by heart rate control, RSV_HRC) 測驗，就是以運動過程中心跳率不會穩定的運動生理現象，依據維持心跳率穩定的速度下降率，來進行運動者心肺耐力的評量。為了簡化測驗數據的計算方式，實際進行跑步機80%HRmax的RSV_HRC數據計算時，以跑步機速度與運動時間的乘積(跑步距離)，以及跑步時間的正比關係為計算RSV_HRC的基礎。

　　PWC_HRTM測驗與80%HRmax RSV_HRC測驗都可以用來評量受試者的心肺耐力，不過，PWC_HRT測驗必須至少經過兩次的固定速度 (負荷) 測驗，80%HRmax RSV_HRC測驗則僅需要進行一次測驗即可。由於，心跳率極為敏感，而且容易受到測驗前的運動狀況影響，因此，實施PWC_HRT測驗時，要在至少兩次的測驗中取得正確的心跳率上升率，需要在較嚴格的測驗情境下進行。

　　80%HRmax RSV_HRC測驗還可以以內建程式控制，直接在跑步機控制面板輸入年齡後，就可以進行檢測與評量，測驗的結果也可以直接以跑步機面板的速度呈現，大大的提高了測驗結果的應用面，讓家庭用、專業用、實驗用的跑步機都可以採用。由此可見，跑步機80%HRmax RSV_HRC測驗確實是簡易方便、有效的心肺耐力測驗方式。

　　下圖以兩個受試者的測驗資料為準，進行兩次測驗結果的RSV_HRC測驗結果比較。圖中藍色受試者的RSV_HRC測驗結果為10.825 km/hr，粉紅色受試者的RSV_HRC測驗結果為9.289 km/hr。

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兩位受試者跑步機80%HRmax RSV_HRC測量結果圖

　　王順正等 (2005) 的研究曾指出80％HRmax的RSV_HRC是具有信度的心肺耐力測驗 (男：r= .93、女：r=.94) 。況且此研究中RSV_HRC與VO₂max的效標關連效度皆達顯著相關 (男：r= .79、女：r=.75) 。胡文瑜等 (2006) 亦對不同時段 (上午、中午和晚上) 測驗固定心跳率跑速變異的信度研究，證明了RSV_HRC此種心肺適能檢測方式不因時段影響 (r值高達0.99) ，再次確信此種施測方式是一項具大眾所公認且簡易操作的檢測方法。林必寧 (2006) 以80%HRmax RSV_HRC檢測流程為基礎，區分青年與壯年組，設定三種運動強度 (50%、65%和80%HRmax) ，並擷取不同強度在不同運動時間 (5、10、15min) ，探討不同因子，是否影響RSV_HRC檢測的情形，結果顯示不同強度的RSV_HRC測驗在不同時間下均達顯著相關 (50％RSV_HRC在5、10、15分鐘的相關分別為0.82、0.82、0.81；65％RSV_HRC則是0.68、0.68、0.70，80％RSV_HRC則是0.75、0.75、0.77) ；且以三個年齡層的RSV_HRC與VO₂max之相關係數比較，發現壯年組在50％、65％HRmax強度下的相關係數較高，青壯組在80％HRmax強度下的相關係數較高，青年組均偏低，代表RSV_HRC不受年齡高低的影響，而與其心肺適能有關。

　　相較於其他心肺耐力的測驗來看，跑步機RSV_HRC測驗具有僅測驗一次、受試者非最大努力運動測驗、固定測驗時間10分鐘、測驗效度中等的優點，儘管需要跑步機的設備，如果用在跑步機面版的設計上，提供給原本跑步機使用者進行心肺耐力測驗，將是比VO2max、AT、CV、PWC_ft、還更簡單方便的心肺耐力評量方式(下表)，雖然比起Step test還複雜一些、測驗時間也較長一些，不過可以透過HRmax進行目標心跳率的控制，顯然可以避免年齡因素的測驗限制，避免年紀過大者的測驗危險性 (吳忠芳、王順正、林必寧，2006)。

不同心肺耐力測驗方法的比較表

測驗方法	VO₂max	AT	CV	PWCft	Step test	RSV_HRC
設備經費	高	高	中 (跑步機)	高	低	中 (跑步機)
測驗的次數	一次	一次(多次)	至少三次	至少三次	一次	一次
受試者努力程度	最大	非最大	最大	非最大	非最大	非最大
測驗時間	長	中	長	長	短	中
年齡控制	-	-	-	-	無	有
測驗效度	高	高	高	高	中	中

　　國人生活機能日趨發達且簡便，RSV_HRC測驗即是最符合現今運動科學進步下的產物，並能以最短時間內操作熟悉與簡單運用在各項運動類型上，且能依據個體年齡的差異分別訂定高、中和低等的目標心跳率，完全不在要求身體於最大負荷下才能判定心肺適能的優劣，既安全、簡便又實用的檢測模式，適合各年齡層、教練與運動員延用發展。

引用文獻

王順正、林正常 (1992)。臨界負荷、肌電圖疲勞閾值與無氧閾值的關係研究，體育學報，14，207-226。

王順正、林正常 (1996)。登階測驗評估最大攝氧量的效度概化，體育學報，20，351-362。

王順正、吳顥照、王錠堯、林正常 (2005)。單次間歇臨界速度測驗的效度研究，體育學報，38，2，1-12。

王順正、林必寧、王予仕、余奕德、黃彥鈞、程文欣、陳信良、吳忠芳 (2005)。跑步機固定心跳率跑速變異的效度與信度研究。第四屆華人運動生理與體適能學者學會年會暨學術發表會專刊，中國文化大學，台灣。

王錠堯、王順正 (2004) 。心肺恢復指數與最大攝氧量的相關研究。體育學報，37，91-102。

行政院體育委員會 (2000)。國民體能檢測實施辦法。行政院體育委員會，台北市。

吳忠芳 (2002)。非最大跑步運動攝氧量與心跳率推算臨界速度之效度研究。未出版碩士論文，國立台灣師範大學體育研究所。

吳忠芳、王順正、林必寧（2006）。固定心跳率跑步變異 (RSV_HRC)在跑步機上之應用。台中學院體育，3，51-58。

呂盈賢 (2005)。田徑場心肺恢復指數評量高中男生心肺適能之研究。未出版碩士論文，國立中正大學運動與休閒教育研究所，嘉義縣。

林正常 (1995)。運動生理學實驗指引。師大書苑，台北市。

林必寧 (2006)。運動強度與時間對跑步機固定心跳率跑速變異之影響。未出版碩士論文，國立中正大學運動與休閒教育研究所，嘉義縣。

胡文瑜、謝旻宏、王予仕、黃彥鈞、王順正 (2006)。不同時段測驗固定心跳率跑速變異之信度研究。台灣運動生理暨體能學會2006年年會及學術研討會，台北市。

教育部 (2000)。教育部體適能護照。教育部，台北市。

國防部 (1993)。國軍基本體能測驗。國防部，台北市。

楊群正 (2005)。最大脂肪代謝率強度跑步運動之脂肪代謝變化研究。未出版碩士論文，國立中正大學運動與休閒教育研究所，嘉義縣。

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Lin, J. C., & Wang, S. C. (1999). The physiological responses of running at critical velocity for distance runners. Abstract. Medicine and Science in Sports and Exercise, 31(5), s371.

Moritani, T., & deVries, H., A. (1980). Anaerobic threshold determination by surface electromyography. Abstract. Medicine and Science in Sports and Exercise, 12, 86.

Perry, S. R., Housh, T. J., Johnson, G. O., Ebersole, K. T., & Bull, A. J. (2001). Heart rate and ratings of perceived exertion at the physical working capacity at the heart rate threshold. Journal of Strength and Conditioning Research, 15(2), 225-229.

Wagner, L. L., & Housh, T. J. (1993). A proposed test for determining physical working capacity at the heart rate threshold. Research Quality for Exercise and Sport, 64(3), 361-364.

原文刊登於王順正編著 (2008)。心肺適能訓練的理論與實際，2008，師大書苑。