運動生理學網站　最大作功負荷(maximal workload, Wmax)

運動生理週訊(第234期)

最大作功負荷(maximal workload, Wmax)(January 23, 2007)

謝旻宏

前言

　　最大作功負荷(maximal workload, Wmax)是目前常用於評量原地腳踏車上運動強度能力指標之ㄧ。Wasserman, Whipp, Koyal, and Beaver (1973) 提出原地腳踏車Wmax測驗，需以漸增負荷的方式運動至衰竭。Buchfuhrer, Hansen, Robinson, Sue, and Wasserman (1983) 則設計出一個標準化的測驗流程廣為大眾引用；此測驗模式採用每分鐘增加負荷的方式測驗到衰竭，受試者達到Wmax的測驗持續時間約為10±2 min。Perez-Martin, Dumortier, Raynaud, Brun, Fedou, Bringer, and Mericer (2001) 提出在Wmax測驗中的最大有氧能力等同於最大攝氧量(maximal oxygen uptake, VO₂max)。Keller, Keller, Marshal , and Pedersen (2003)曾替Wmax下了個定義，實驗設計為先讓受試者接受一個 bicycling max-test on a cadence-independent cycle ergometer (機型為Monark 839E, Monark Ltd, Varberg, Sweden) 的測驗，受試者先以100W暖身8分鐘，負荷為每3分鐘增加50W，一直到200W。此後，負荷改為每分鐘增加25W，直到踩踏頻率無法維持60 rpm為止，受試者能達到最高的負荷且維持一分鐘以上，便可認定其為Wmax。

Wmax 測驗流程

　　在以往文獻中所提及的最大作功負荷(the reference maximal work load attained, Wref)，都是由每一個受試對象的情況所決定，也就是最大作功負荷預估值。Kuipers, Verstappen , Keizer, Geurten , and Van Kranenburg (1985)曾經以10名男性受試者作為探討對象，其測試流程是以個別的Wref為基準，開始以70%的Wref運動5分鐘，接下來每2.5分鐘增加5% 的Wref到衰竭。經過此實驗所得到Wmax實際值被視為測試的運動表現。結果發現，透過心跳率、呼吸交換率、攝氧量和血乳酸值等觀察值，換句話說，就是生理學反應和相對作功負荷的關聯性很高，顯示Wmax所對應出的身體表現和反應是可信賴的。

　　以每分鐘漸增負荷來尋找最大努力的原地腳踏車測驗流程，最早是由Wasserman, Whipp, Koyal, and Beaver (1973) 所提出來的，並且後來經過Buchfuhrer, Hansen, Robinson, Sue, Wasserman, and Whipp (1983) 修正之後趨於完美，這個流程的特色就是Wmax的出現點是由測試者主觀判斷，通常出現時間會在10±2分鐘。另一方面，由於每分鐘漸增負荷的依據是Wmax的十分之ㄧ，因此在測驗開始之前，必須先推估出受試者的Wmax，也就是Wref。

　　最近的Wmax測量方式是根據Nogueira and Pompeu (2006) 參考Wasserman, Whipp, Koyal, and Beaver (1973) 修改腳踏車測功計上連續最大漸增負荷檢測流程而來。在腳踏車測功計與橢圓機運動型態上進行VO2max漸增強度測驗，先以四分鐘無任何負荷作為暖身，之後每分鐘增加約25 watts的負荷，直到受試者衰竭，至於呼吸交換率、攝氧變化情形及心跳率則每20秒紀錄一次，其至衰竭的過程中所呈現的最大強度稱做最大作功負荷。

　　為了探討不同Wref的預測公式的信效度，Nogueira and Pompeu便針對年齡25歲左右共90名，將男女各30名分為內在效度組；15名男女分為外在效度組進行腳踏車Wmax與VO2max測驗，並計算實際Wmax值和比較之前學者套用Wref預測公式之後所得的值，並與其他文獻相互比較(Jones, Makrides, Hitchcock , Chypchar, ＆ Mccartney, 1985; Wasserman, Hansen , Sue, ＆ Whipp, 1987; Hsi, Lan , ＆ Lai, 1998; Ong, Loo, Chan , Earnest, ＆ Saw, 2002; Neder, Nery, Castelo, Andreoni, Lerario, ＆ Sachs, 1999) ，結果發現Wmax實際值和Wref則有顯著差異 (p<.05) 。此現象解釋出之前學者再作受試者的選擇時，部份有以大學學生為主，部分則以一般居民為主，然而公式大多是以性別、身高、年齡、體重等為主要變項，因此受試者的基本資料便是影響Wref的關鍵，所以在選擇使用Wref的同時，要注意受試者是否跟當初創造預測公式的學者相去不遠，以便增加其準確率。

　　下表列出之前不同學者所使用的Wmax預測公式，使用的變項包括性別、身高、年齡、體重。

Maximal workload prediction equations for the incremental cycloergometer test (資料來源？)

Eq	Reference	Equations	R²	SEE
1	Jones et al (1985) 1M male 1F female	kp．m．min-2=-1909-288(G)+20.4(H)-8.7(I)	0.74	216
2	Jones et al (b,1985) 2M male 2F female	kp．m．min-2=-1569-249(G)+16.2(H)-9.5(I)+5.6(P)	0.74	213
3	Hsi et al (1988) 3M male 3F female	Wmax=-161+1.7(H)-1.1(I)+1.1(P) Wmax=-5+1.1(H)-1.2(I)	0.67 0.79	20 12
4	Neder et al (1999) 4M male 4F female	Wmax=-45.4+1.36(H)-1.78(I)+0.65(P) Wmax=28.1+0.96(H)-1.19(I)	0.67 0.72	25 14
5	Ong et al (2002) 5M male 5F female	Wmax=4.1394-0.3131(G)+0.0076(H)-0.0103(I)+0.0058(P)	0.74	NR
6	Wasserman et al (1987) 6M male 6F female	Wmax=(VO₂max-VO₂(ow).10-1)	NR	NR
Equation 1 and 2 used the gender as a predictor(0 for males and 1for females); equation 5 used the gender as a predictor(1 for males and 2 for females) and uses logarithmic transformation; for equation 6, VO2max is predicted as mL.min-1=(H-I)．20 for sedentary men and 14 for sedentary women, and VO₂max (ow) is mL/min = 150+6 (P) ; G, gender; H, stature (cm) ; I, age (years) ; P, weight (kg) ; NR, not reported.

　　下圖可看出Nogueira and Pompeu等人所測量出的Wmax和之前學者所使用的預測公式無顯著差異(p> .05)。

　　Arts , Kuipers, Jeukendrup , and Saris (1993) 為了發展出一個短時間的原地腳踏車測驗來預測VO₂max和Wmax，而收集了22個受試者的作功負荷和心跳率的資料，在第一個測驗中，受試者在兩個非最大階段測驗3分鐘後，接著負荷很快地 (4分鐘上下) 增加超越最大 (supramaximal) 的階段來獲得最大心跳率；另外，在這項原地腳踏車測驗中，也發現預測的Wmax和觀察的Wmax的平均數分別是364.9±42.4 watts和368.8±40.2 watts；而預測的VO₂max和觀察的VO₂max的平均數分別是4.49±0.45 l/min和4.59±0.41 l/min。總結以上論述，就是對於受過訓練的運動員縮短時間(8-10 min)的測試是準確的，不過前提是利用非最大心跳率和最大心跳率來推估VO₂max和Wmax情況下，並搭配觀察心跳率、作功負荷和攝氧量的線性關係。

　　Faria, Parker, and Faria (2005) 曾提出利用漸增負荷運動測驗作為無氧能力的檢測指標，起始的功率負荷是100 watts，頻率為75 rpm，之後每4分鐘增加35 watts並且有1分鐘的回復期 (休息回復的原因是為了抽血或檢測乳酸值) ，取最後一階的功率負荷進行計算。而Wmax的計算方式如下：Wmax = Wf + ([t/240] × 35) 【Wf = value of the last complete work-load; t = time the last uncompleted work-load was maintained (in sec); 35 = power output difference between the last two work-load】

Wmax 應用價值

　　運動訓練強度的設定是進行運動訓練時相當重要的一環。使用Wmax值作為強度設定，可以算是相當不錯的方法，因為它根據長久以來不同學者的實驗論證，信效度其來有致。Wmax公式使用腳踏車測功儀上不僅不會受限於性別上的關係影響，且運用方式具有可行性及便利性，因此更能確實了解到受試者於腳踏車上活動的最大作功負荷。而且可以利用測試時間可縮短的優點更能方便測量，因此，將會是教練在訓練運動員時，相當值得採用的有氧運動值，而且非常實用。期許日後Wmax可以更加密切結合心跳率、攝氧量等生理觀察值，透過研究應用在非訓練者和一般大眾身上。然而有關Wmax的相關研究還在持續發展當中。

引用文獻

Arts, F. J., Kuipers, H., Jeukendrup, A. E., & Saris, W.H. (1993). A short cycle ergometer test to predict maximal workload and maximal oxygen uptake. International Journal of Sports Medicine, 14(8), 460-464.

Buchfuhrer, M. J., Hansen, J. E., Robinson, T. E., Sue, D. Y., Wasserman, K., & Whipp, B. J. (1983). Optimizing the exercise protocol for cardiopulmonary assessment. Journal of Applied Physiology, 55, 1558-1564.

Charlotte, K., Keller, P., Marshal, S., & Pedersen, B. K. (2003). IL-6 gene expression in human adipose tissue in response to exercise - effect of carbohydrate ingestion. The Journal of Physology, 550(6), 927-931.

Faria, E. W., Parker, D. L., & Faria, I. E. (2005). The science of cycling: physiology and training - part 1. Sports Medicine, 35 (4), 285-312.

Fernando, S. N., Fernando, A. M., & Sabóia, P. (2006). Maximal workload prediction models in the clinical cardio-pulmonary effort test. Arquivos Brasileiros de Cardiologia, 87(2), 137-145.

Hsi, W. L., Lan, C., & Lai, J. S. (1998). Normal standards for cardiopulmonary responses to exercise using a cycle ergometer test. Journal of the Formosan Medical Association, 97(5), 315-322.

Jones, N. L., Makrides, L., Hitchcock, C., Chypchar, T., & Mccartney, N. (1985). Normal standards for an incremental progressive cycle ergometer test. The American review of respiratory disease, 131,700-708.

Kuipers, H., Verstappen, F. T., Keizer, H. A., Geurten. P., & van Kranenburg, G. (1985). Variability of aerobic performance in the laboratory and its physiologic correlates. International Journal of Sports Medicine, 6(4), 197-201.

Perez-Martin, A., Dumortier, M., Raynaud, E., Brun, J. F., Fedou, C., Bringer, J., & Mercier, J. (2001). Balance of substrate oxidation during submaximal exercise in lean and obese people. Diabetes Metabolism (Paris), 27, 466-474.

Wasserman, K., Whipp, B. J., Koyl, S. N., & Beaver, W. L. (1973). Anaerobic threshold and respiratory gas exchange during exercise. Journal of Applied Physiology, 35,236-243.