運動生理週訊(第216期)
橢圓機(elliptical trainer)運動的生理反應(February.28.2006)
王順正
在一般的健身俱樂部中，
橢圓機(elliptical trainer)是相當常見的心肺適能運動訓練工具，而且也廣為使用者喜愛。橢圓機的運動型態類似越野滑雪(cross-country skiing)的動作，因此橢圓機的英文名稱也稱為elliptical cross-trainer。橢圓機被設計出來的時間雖短，但是由於受到大眾的喜愛，因此發展也相當的迅速。可惜，到目前為止，在運動生理學的專業書籍中，介紹這個新運動工具的運動生理反應資訊還不多。
大部分有關橢圓機運動的生理反應研究，是在2000年以後才被發表出來。Mercer, Dufek, and Bates (2001)以5名女性、9名男性，年齡25.0±4.6歲、身高1.78±0.10公尺、體重71.5±13.3公斤的自願參與者，進行跑步機與橢圓機運動的漸增強度運動測驗，跑步機的測驗流程是以每1分鐘為一階段，由速度1.3 m/s、坡度3%開始，第二、第三、第四階段的坡度為8%，速度分別為1.6 m/s、1.8 m/s、2.2 m/s，第五階段開始坡度維持8%，速度則每階段增加0.2 m/s，一直運動到衰竭。橢圓機的測驗流程也是以每1分鐘為一階段，踩踏頻率(以右腳踏板為準)由60 rpm開始，每分鐘增加5 rpm，四階段以後阻力增加1個水準(橢圓機機器設定的阻力水準)，一直運動到衰竭。研究結果(如下圖所示)發現，橢圓機測驗到的VO
2max為51.6±10.7 ml/kg/min、HRmax為191.2±11.5 bpm、RPE(Borg's自覺量表，6-20 scales)為18.5(沒有標準差詳細資料)、漸增負荷運動時的VO
2與HR相關為 .88(p< .05)，跑步機測驗到的VO
2max為53.0±7.7 ml/kg/min、HRmax為193.4±9.4 bpm、RPE為18.7(沒有標準差的詳細資料)、漸增負荷運動時的VO
2與HR相關為 .95(p< .05)。由此可見，橢圓機運動時的生理反應情形，與跑步機運動時極為類似。
橢圓機與跑步機最大運動的生理反應(Mercer, Dufek, & Bates, 2001)
Batte, Evans, Lance, Olson, and Pincivero(2003)以8名男性、12名女性，年齡25.3±3.4歲、身高170.4±9.0公分、體重67.6±11.2公斤的志願受試者，以Precor EFX
TM 544 Elliptical Cross-trainer進行兩次不同型態的運動(一次漸增強度的最大運動[測驗流程如下表所示]、一次自覺量表為6[以Borg CR-10 scale評量，代表約以60%的強度]的強度進行15分鐘的固定強度非最大運動)。
| 時間 | 踏踏頻率(cadence, strides/min) | 阻力(resistance) |
| 0 | 120 | 2 |
| 1 | 140 | 2 |
| 2 | 160 | 2 |
| 3 | 180 | 2 |
| 4 | 180 | 3 |
| 5 | 180 | 4 |
| 6 | 180 | 5 |
| 7 | 180 | 6 |
| 8 | 200 | 6 |
| 9 | 200 | 7 |
| 10 | 220 | 7 |
漸增強度的VO
2max測驗結果顯示，受試者的平均運動測驗時間約7分30秒±1分15秒、平均VO
2max為47.8±9.2 ml/kg/min、平均HRmax為188±7.82 bpm。以6的自覺量表強度進行橢圓機運動時的VO
2與HR如右圖所示，達到穩定狀態時的VO
2百分表為75.2±12.9%，HR則為91.0±6.1%。研究結果顯示，以橢圓機進行自覺強度的運動時，VO
2與HR都會有偏高的現象，特別是心跳率的偏高情形相當明顯。
Dalleck, Kravttz, and Robergs (2004)則以10名男性、10名女性，年齡29.5±7.1歲、身高173.3±12.6公分、體重72.3±7.9公斤、體脂肪17.3±5.0%，自願參與實驗的大學生與研究生，進行修正Balke跑步機VO
2max測驗流程，以及橢圓機的VO
2max漸增負荷測驗流程。修正Balke跑步機VO
2max測驗流程，受試者在沒有坡度的情況下，在2分鐘內自己選擇一個適當的跑步速度；在開始測驗後的3分鐘後，每分鐘坡度增加1%，一直跑步到衰竭(下圖)。
修正Balke的跑步機VO2max測驗流程(Dalleck, Kravttz, & Robergs, 2004)
橢圓機的VO
2max漸增負荷測驗流程方面，依據受試者的性別與每週參與活動的時間分為訓練組(每週3-5小時)與休閒組(每週2-3小時)，依據下圖所示的方式，隨著運動測驗時間的增加，踩踏頻率與阻力也隨著提高，並且以踩踏頻率低於目標頻率20步(strides/min)，做為判定是否達到最大努力的標準。研究的結果顯示(下表)，橢圓機與跑步機的測量的VO
2max、HRmax、RERmax等皆沒有顯著差異。透過橢圓機進行漸增強度的最大努力運動測驗，可以獲得與跑步機類似的運動生理反應。
橢圓機的VO2max測驗流程(Dalleck, Kravttz, & Robergs, 2004)
橢圓機與跑步機進行最大努力測驗的生理反應比較
| 變項 | VO2max
(ml/kg/min) | HRmax
(b/min) | RERmax | 持續時間
(min) |
橢圓機
(範圍) | 47.3±6.4
(35.4-57.1) | 184.4±8.8
(159-197) | 1.25±0.09
(1.05-1.37) | 12.17±1.40
(9.60-14.72) |
跑步機
(範圍) | 47.9±6.8
(34.0-61.5) | 185.7±7.7
(163-199) | 1.22±0.10
(1.03-1.34) | 11.56±1.60
(8.31-13.25) |
Wiley, Mercer, Chen, and Bates (1999)研究發現，PreCor牌的橢圓機，進行漸增強度最大運動測驗獲得的VO
2max與HRmax，與利用跑步機進行VO
2max與HRmax測驗的結果並沒有不同。Larsen and Heath (2002)研究發現，不同踩踏頻率(每分鐘56, 69, 80轉)的橢圓機運動，會有VO
2(20.7±2.8, 25.2±3.4, 30.2±4.3 ml/kg/min)與HR(119.3±17.0, 135.7±18.2, 152.7±21.0 bpm)生理反應上的顯著差異。Picard等(2002)以PreCor EFX 546型橢圓機，進行橢圓機預測能量消耗與實際消耗的比較，結果發現在較高阻力時的能量消耗預估值，會有顯著高估實際能量消耗的現象。Schorner, Treeacciano, Hickner, and McCammon (2004)的研究則再次驗證PreCor EFX546型橢圓機高估能量消耗。Browder and Dolny (2002)的研究則發現，橢圓機的活動方向(向前或向後)與不同的步長，會顯著影響下肢肌群的活動方式。Dolny, Hughes, Caylor, and Browder (2004)的研究則發現，不僅橢圓機的阻力會顯著影響到VO
2、HR、RER、RPE的反應，橢圓機步長(45cm, 53cm, 59cm, 65cm)的差異，也會顯著影響到VO
2與HR，但是RPE與RER則不會受到步長的影響。
儘管大部分的研究發現，最大橢圓機運動的VO
2max與跑步機運動沒有顯著的差別，但是，仍有研究發現，利用橢圓機運動進行最大運動時的VO
2max與HRmax皆顯著低於跑步機運動(Wallace, Sforzo, & Swensen, 2004)；而且，三個自覺強度(RPE，11、13、15)下的VO
2、HR與能量消耗(energy expenditure)，都有跑步機運動顯著高於橢圓機運動的現象，而且在性別上也沒有顯著的不同。在一般相同自覺運動強度的條件下，跑步機會產生較大的能量消耗，橢圓機則可能因為腿部局部的肌肉負荷較大，讓使用者感覺比實際的能量消耗還艱難一些。
事實上，Egana and Donne (2004)的研究顯示，橢圓機的訓練效果(12週)與踏步機(Stair climbing)、跑步機類似，代表橢圓機已經被證實是有效的有氧適能訓練工具。運動生理學的研究者，有必要針對橢圓機踏踏頻率快慢(有些文獻以兩腳的步數計算、有些以單腳完成的圈數計算)、阻力大小、步長幅度(包含身高差異的影響)等變項，進行詳細的研究與規範，以便讓使用橢圓機的一般社會大眾，確實享受到橢圓機運動的效益。
參考資料：
Batte, A. L, Evans, J. D., Lance, L. M., Olson, E. I., & Pincivero, D. M. (2003). Physiology response to a proscribed rating of perceived exertion on an elliptical fitness cross-trainer. Journal of Sports Medicine and Physical Fitness, 43(3), 300-305.
Browder, K. D., & Dolny, D. G. (2002). Lower extremity muscle activation during elliptical trainer exercise. Medicine & Science in Sports & Exercise, 34(5), S35.
Dalleck, L. C., Kravttz, L., & Robergs, R. A. (2004). Maximal exercise testing using the elliptical cross-trainer and treadmiill. Journal of Exercise Physiology, 7(3), 94-101.
Dolny, D., Hughes, N. J., Caylor, R., & Browder, K. (2004). Effect of varying stride length on cardiorespiratory response during elliptical trainer exercise. Medicine & Science in Sports & Exercise, 36(5), S250.
Egana, M., & Donne, B. (2004). Physiological changes following a 12 week gym based stair-climbing, elliptical trainer and treadmill running program in females. Journal of Sports Medicine and Physical Fitness, 44(2), 141-146.
Larsen, B. T., & Heath, E. M. (2002). Energy expenditure for an elliptical trainer at three cadences. Medicine & Science in Sports & Exercise, 34(5), S295.
Schorner, M. J., Treeacciano, D. C., Hickner, R. C., & McCammon, M. R. (2004). The PreCor EFX546 elliptical trainer over predicts energy expenditure. Medicine & Science in Sports & Exercise, 36(5), S249-S250.
Mercer, J. A., Dufek, J. S., & Bates, B. T. (2001). Analysis of peak oxygen consumption and heart rate during elliptical and treadmill exercise. Journal of sport Rehabilation, 10, 48-56.
Picard, G., Andrews, S., Buckley, D., Georges, A., Wygand, J., & Otto, R. M. (2002). The metabolic cost of elliptical exercise vs predicted values. Medicine & Science in Sports & Exercise, 34(5), S292.
Wallace, B. P., Sforzo, G. A., & Swensen, T. (2004). Energy expenditure : elliptical v. treadmill exercise at selected RPE. Medicine & Science in Sports & Exercise, 36(5), S249.
Wiley, R. M., Mercer, J. A., Chen, S. J., & Bates, B. T. (1999). Peak VO
2 and HR during treadmill running and simulated running on an elliptical trainer. Medicine & Science in Sports & Exercise, 31(5), S158.
