運動生理週訊(第218期)
運動時的心血管循環轉變(cardiovascular drift)(May.04.2006)
王予仕
教育部(1998)為改進學生體適能知識、態度以及行為提出『體適能中程(三三三)計畫』，建議學生每週運動頻率至少三天，每次至少三十分鐘，而運動強度達每分鐘心跳130次左右。由此可見，以目標心跳率設定運動強度的方式是簡易而常見的，而且透過心跳率來評量運動強度的方法，廣為官方與商業的機構推薦與採用。
事實上，心跳率容易因運動時心血管的循環轉變以及其他外在因素而變化。運動運動生理週訊第17期「
運動強度的判定(心跳率)」中，也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，即發現只有在較輕的強度運動時，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。
水分的流失，可能會影響到運動時的心跳率變化的原因之一。Gonzalez-Alonso, Rodríguez, Below, and Coyle (1995) 研究，以耐力性運動員在35℃環境下進行62~65%最大攝氧量(VO2max)的120分鐘腳踏車運動，在運動前後體水分大約減少4.9%身體的重量。Coyle and Gonzalez-Alonso (2001) 將Gonzalez-Alonso, Rodríguez, Below, and Coyle (1995)的研究重新繪圖(圖一)。可以清楚的知道，耐力性運動員在身體缺水的狀態下長時間運動，導致總血液量(Blood Volume, BV)、平均動脈壓(Mean Arterial Pressures, MAPs)、心輸出量(Cardio Output)、心臟每跳輸出量 (Stroke Volume, SV)下降，心跳率(Heart Rate, HR)上升。
圖一、運動時心血管循環轉變(Coyle & Gonzalez-Alonso, 2001)。
運動時的心跳率變化，也會因為交感神經的活動以及身體核心溫度上升而改變(Coyle & Gonzalez-Alonso, 2001)。Gonzalez-Alonso, Rodríguez, Below, and Coyle(1997)將耐力性運動員，分為高熱環境下運動組(年齡25±4歲、體重71±3公斤、身高179±7公分、最大心跳率185±6 beat/min、最大攝氧量4.4±0.4 l/min)與未補充水分狀態下運動組(年齡24±3歲、體重72±7公斤、身高181±7公分、最大心跳率183±6 beat/min、最大攝氧量4.6±0.5 l/min)，兩組分別進行120分鐘長時間不同環境條件的腳踏車運動。研究發現身體的核心溫度從 38.3℃上升到39.3℃導致心臟每跳輸出量下降、心跳率上升。Coyle and Gonzalez-Alonso(2001)綜合先前研究提出運動時心血管循環轉變的新觀點。心臟每跳輸出量、平均動脈壓和心跳率的變動會受到皮膚血流量、交感神經活動、身體的核心溫度、總血量的交錯循環影響(圖二)。
圖二、心血管循環轉變新觀點(Coyle & Gonzalez-Alonso, 2001)。
除了上述內在生理因素外，運動時水分補充多寡以及外在環境溫度，也會對心血管循環轉變造成顯著的影響。Gonzalez-Alonso, Rodríguez, and Coyle ( 2000)以八名耐力性運動員(年齡22±3歲、體重70±6公斤、身高178±6公分、最大心跳率190±5 beat/min、最大攝氧量4.5±0.3 l/min)，進行在不同溫度(8.2±0.3℃與35.4±0.2℃)與不同程度(2%、33%、66%、100%)補充水分的狀況下，持續進行120分鐘長時間的腳踏車運動。研究發現，長時間運動下心臟每跳輸出量會逐漸減少，心跳率逐漸上升。在冷熱環境以及水分補充程度差異下，長時間運動時心跳率的變化以及核心溫度的變化皆有顯著差異(圖三)，而且對長時間運動體內血流量的減少以及心跳率的變化也都有顯著影響(圖四)。
圖三、冷熱環境下心臟每跳輸出量、心跳率、核心溫度變化圖(Gonzalez-Alonso, Rodríguez, & Coyle, 2000)。
圖四、冷熱環境下心臟每跳輸出量、心跳率、總血液量減少變化圖(Gonzalez-Alonso, Rodríguez, & Coyle, 2000)。
Gonzalez-Alonso, Rodríguez, and Coyle(1999)將七名耐力性運動員(年齡27.6±1.9歲、體重74.0±10.7公斤、身高178.3±5.4公分、最大心跳率186±5 beat/min、最大攝氧量4.7±0.4 l/min)分為兩組，一組有補充水分(Euhydration)，另一組沒有補充水分(Dehydration)，兩組皆使用間歇方式，先完成在35℃環境下、120分鐘、62%最大攝氧量的直立式(Upright)腳踏車運動，接著再分成靠背式(Supine)與直立式(Upright) 腳踏車兩組，在23℃環境下休息45分鐘後，重複進行在35℃環境下、30分鐘、62%最大攝氧量直立式與靠背式腳踏車運動。研究發現，在120分鐘腳踏車運動後，未補充水分組流失的水分大約占體中的4.9±0.2%，因此造成前臂血流量(Forearm blood flow)、皮膚血液流量(Cutaneous blood flow)顯著低於補充水分組(圖五)。同樣的在運動時心血管循環轉變上補充水分與未補充水分兩組，在平均動脈壓、心輸出量(Cardio Output)、心臟每跳輸出量上未補充水分組皆顯著低於補充水分組。但是心跳率卻是相反的(如圖六)。因此我們可以了解，在長時間運動過程中水分的補充以及環境溫度皆會影響到心血管的循環轉變，而造成心臟每跳輸出量以及心跳率的變化。Achten and Jeukendrup(2003)提出心跳率也會因為睡眠時間是否足夠、飲食中所含的醣類、以及當天或前一天喝的水分所影響。
圖五、皮膚血液循環(Alonso, Rodríguez, & Coyle, 1999)。 圖六、心血管反應(Gonzalez-Alonso, Rodríguez, & Coyle, 1999)。
隨著實驗儀器的進步，心跳率的偵測越來越精準以及簡便。以心跳率為主要變項的研究，實驗儀器取得上相對的也較為容易。舉凡攝氧量的評估、運動強度的設定、能量消耗的估計都可以透過心跳率的偵測來進行研究，而目前大多數研究為了要減低這些差異所造成的影響，在以心跳率估計運動強度等相關問題，設定心跳區間(圖七)，比設定單一心跳值來的好。
圖七、有氧運動的目標心跳區間。
http://www.greenmasterfitness.com.tw/Heartrate.html
運動時的心跳率，很容易受到不同因素變化的影響，在研究運動心跳率相關問題時，包括水份的流失與攝取、環境溫度等外在因素的控制，或者運動參與者體內交感神經活動與核心溫度變化等，都需要詳細的紀錄與控制。這種運動時的心血管循環轉變的趨向，值得運動參與者瞭解與應用。
參考資料
教育部(1998)。台閩地區中小學學生體能檢測資料處理－常模研究。台北市：教育部編印。
Achten, J., & Jeukendrup, A. E. (2003). Heart Rate Monitoring. Sport Med, 33(7), 517-538.
Coyle, E. F., & Gonzalez-Alonso, J. G. (2001). Cardiovascular drift during prolonged exercise: new perspective. Exercise and Sports Science Reviews, 29(2), 88-92.
Gonzalez-Alonso, J. G., Rodríguez, R. M., Below, P. R., & Coyle, E. F. (1995). Dehydration reduces cardiac output and increases systemic and cutaneousvascular resistance during exercise. Journal of Applied Physiology, 79, 1487-1496.
Gonzalez-Alonso, J. G., Rodríguez, R. M., Below, P. R., & Coyle, E. F. (1997). Dehydration markedly impairs cardiovascular function in hyperthermic endurance athletes during exercise. Journal of Applied Physiology, 82, 1229–1236.
Gonzalez-Alonso, J. G., Rodríguez, R. M., & Coyle, E. F. (1999). Supine exercise restores the reductions in cardiac output and skin lood flow withdehydration. American Journal of Physiology- Heart and Circulatory Physiology, 277, H576–H583.
Gonzalez-Alonso, J. G., Rodríguez, R. M., & Coyle, E. F. (2000). Stroke volume during exercise: interaction of environment and hydration. American Journal of Physiology- Heart and Circulatory Physiology, 278, H321-H330.
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.
