運動生理週訊(第246期)
心肺適能的發展 (development)(July.14.2007)
王順正
心肺適能是指個人的肺臟與心臟，從空氣中攜帶氧氣並將氧氣輸送到組織細胞加以使用的能力。因此心肺適能可以說是個人的心臟、肺臟、血管與組織細胞的有氧能力指標。隨著年齡的增長，兒童、青少年的體型大小與身體機能會不斷成長與發育 (成熟) 。就心肺適能的發展，如果以單位時間的最大攝氧量 (L/min) 來看心肺適能的發展，確實有隨著年齡增長逐漸增加使用氧氣能力的現象，但是，如果以單位體重與單位時間使用氧氣的最大能力 (ml/kg/min) 來看，成熟 (biological maturation) 的效益，可能因為體重的增長因素，不易顯現出來。
Rutenfranz (1986) 收集挪威在1969年針對8歲兒童進行的8年縱向研究 (longitudinal studies) ，以及德國在1974年針對12歲兒童進行的5年縱向研究，發現不管是挪威或德國的兒童，男性都比女性具備較佳 (高3至5%) 的心肺適能，但是在身高成長最大速率 (peak height velocity，PHV) 的年齡以後，德國女童的心肺適能有逐漸降低的趨勢 (L/min) 、挪威女童則持續的上升 (L/min) (下左圖)。作者認為動態生活型態方式 (more physically active lifestyle) 是挪威女童心肺適能持續增長的原因；挪威與德國男童的心肺適能則有類似的發展。當心肺適能以單位體重、單位時間 (ml/kg/min) 來看時，心肺適能不僅沒有隨著身體的發展增加，在PHV之後，還有逐漸降低的狀況 (不管是除以單位體重或是去脂體重，下右圖)。謝伸裕等翻譯Rowland所寫的「developmental exercise physiology」一書中，也寫到「以傳統標準比例的每公斤體重VO
2max表示兒童的『有氧適能』是有問題的。兒童階段耐力運動表現出現戲劇性的變化，但是，每公斤體重VO
2max並沒有伴隨著變化。」。由此可見，對於兒童的心肺適能似乎以身體整體的使用氧氣能力來代表較佳。
Norway與Germany青少年心肺適能的發展 (以peak height velocity的年齡為準) (Rutenfranz, 1986)
Armstrong and Welsman (1994)則以文獻探討的方式，探討年齡增長與心肺適能發展的關係。作者指出兒童與青少年心肺適能發展的研究，受到研究倫理 (ethical considerations) 與方法學上的限制，一般成人進行心肺適能的最大努力測驗流程 (protocol) 、測量儀器 (apparatus) 、以及判定最大努力的標準 (criteria of maximal effort) 等都不適合兒童採用。透過文獻整理的結果還發現，女性的最大攝氧量 (L/min) 大約在14歲時出現，男性的最大攝氧量 (L/min) 出現的年齡則高於女性；男性具備較大攝氧量的原因，可能是男性具備較多肌肉量與血紅素 (hemoglobin) 濃度。Armstrong, Welsman, Nevill, and Kirby (1999) 則分析11至13歲的119名男童與115名女童，最大攝氧量的3年縱向發展。研究結果發現11至13歲男女，在相同年齡的階段，體重、身高、血紅素濃度上並沒有顯著差異，最大攝氧量 (VO
2 paek, L/min) 、皮脂厚 (mm) 則有顯著的差異。兩篇Armstrong and Welsman的研究，對於造成男女心肺適能差異的原因，皆指向男性肌肉量多於女性，但是有關血紅素濃度的影響卻不相同。
Mcmurray, Harrell, Bradley, Deng, and Bangdiwala (2002) 以2540名 (非裔美國人543名、高加索人1997名，女1279名、男1261名) 兒童為對象，進行7年的縱向最大攝氧量測量；研究發現在各年齡時，男性的最大攝氧量 (L/min 與 ml/kg/min) 皆顯著大於女性，非裔美國人的最大攝氧量 (L/min) 也在各年齡時皆顯著大於高加索人。女性的最大攝氧量 (L/min) 在14歲以前每年增加9%，但是相對於體重的最大攝氧量 (ml/kg/min) 卻在8至16歲期間，每年降低1.2 ml/kg/min；男性的最大攝氧量 (L/min) 在8至16歲每年增加14%，但是相對於體重的最大攝氧量 (ml/kg/min) ，在12歲以前也有持續降低的趨向，在12至16歲則趨於穩定 (下圖) 。儘管8至16歲的發展過程中，心肺適能 (L/min) 隨著年齡增加上升，但是相對於體重的心肺適能 (ml/kg/min) 除了受到體重增加的影響以外，似乎還受到體脂肪增加的影響，有隨著年齡降低的趨向。Al-Hazzaa (2001) 探討137名沙烏地阿拉伯7至15歲男童的心肺適能，發現不同年齡的男童，儘管最大攝氧量由7至9歲時的 1.2±0.2 L/min，增加到13至15歲時的2.5±0.5 L/min，但是單位體重與單位去脂體重最大攝氧量並沒有可觀的改變。透過單位體重或單位去脂體重來評估兒童與青少年的心肺適能發展時，確實是有其難以解釋的問題。
女性 (右圖) 與男性 (左圖) 心肺適能發展圖(圖中黑色點為其他文獻的數據)(Mcmurray, Harrell, Bradley, Deng, & Bangdiwala, 2002)
除了透過相對於體重的心肺適能評量方式以外，以去脂體重來進行相對最大攝氧量的評估，被Goran, Fields, Hunter, Herd, and Weinsier (2000)認為是更有效益的心肺適能評量；作者在第一個研究中，以129名為研究對象，將體脂肪百分比低於20%的39名兒童 (年齡8.6±1.6 歲、體重28.1±8.7 kg、體脂肪百分比14.0±4.0 %) ，與高於30%的39名兒童 (年齡8.9±1.2歲、體重48.6±13.0 kg、體脂肪百分比39.7±5.6 %) ，進行絕對 (L/min) 與相對 (ml/kg/min、ml/kg FFM/min) 最大攝氧量的比較，研究發現絕對最大攝氧量是肥胖的兒童較佳，單位體重的相對最大攝氧量則是瘦的兒童較高，單位去脂體重的相對最大攝氧量則胖與瘦的兒童沒有顯著差異；第二個研究則探討31名肥胖婦女 (年齡37.3±6.4 歲、減肥前體重78.8±6.2 kg、去脂體重49.4±4.7 kg) ，減肥前後 (減肥後體重65.9±5.2 kg、去脂體重45.8±4.1 kg) 的心肺適能變化，發現減肥前後以單位去脂體重的相對最大攝氧量，才能確實能夠反應減肥婦女在氧脈 (oxygen pulse, 前11.8±1.5、後11.7±1.8) 與呼吸效率 (pulmonary efficiency, 前39.5±5.9、後38.4±5.3) 上的變化。Tolfrey, Barker, Thom, Morse, Narici, and Batterham (2006) 也發現，透過下肢肌肉體積 (lower leg muscle volume) 來預測男性兒童與成人的心肺適能，可以獲得與體重、去脂體重相同的效果。Trowbridge, Gower, Nagy, Hunter, Treuth, and Goran (1997) 也發現5至10歲兒童的腿部軟組織重量 (leg soft lean tissue mass) 與心肺適能 (L/min) 成正比。由此可見，儘管由兒童與青少年的心肺適能發展來看，單位體重或單位去脂體重的最大攝氧量變化，無法呈現生長與發育的人體發展 (成熟) 實況，但是對於特定對象 (兒童或成人) 、短時間的心肺適能變化比較，則以單位體重、單位去脂體重、或主要活動肌群量的相對最大攝氧量較能呈現心肺適能的機能，其中又以單位去脂體重的相對最大攝氧量 (ml/kg FFM/min) 最具代表性。
除了體重與體脂肪的因素會影響到心肺適能的發展以外，日常生活的身體活動型態是否會影響心肺適能的發展呢？Beunen, Baxter-Jones, Mirwald, Thomas, Lefevre, Malina, and Bailey (2002) 分析73位加拿大男性學童9年 (受試者由8至16歲) 的心肺適能縱向發展，同時以受試者的日常身體活動水準 (level of habitual physical activity) 與成熟狀況 (biological maturity status, 以peak height velocity的年齡為準) ，作為評量心肺適能發展的考量依據。九年中，受試者的最大攝氧量評量流程，都是在跑步機上以 0% 的坡度，進行逐漸增加速度的 4.8 km/h、3分鐘，9.6 km/h、3分鐘，14.4 km/h、3分鐘，以及 (如果需要的話) 19.2 km/h、運動到衰竭。研究結果發現，8歲時的平均最大攝氧量為1.45±0.26 L/min，16歲時的平均最大攝氧量為3.03±0.57 L/min；受試者最大攝氧量與體重的相關以12歲時最低 (0.644) 、15歲時最高 (0.929) 。受試者身高開始發展的年齡為10.6歲、最大攝氧量為1.88 L/min、最大攝氧量上升率為0.14 L/min/yr，身高最大生長速度 (PHV) 在14.3歲、最大攝氧量為2.75 L/min、最大攝氧量上升率為0.53 L/min/yr，受試者預估成人時最大攝氧量為3.39 L/min。研究結果顯示PHV與最大攝氧量上升率在相同年齡出現；身體活動水準雖然不會改變心肺適能的發展趨向 (右圖) ，但是的確會影響心肺適能的優劣。
Cunningham, Paterson, Blimkie, and Ponner (1984) 研究62名9至10歲男性，六年青春期期間的心肺功能縱向發展，而且以心跳率達到155 bpm時的攝氧量、心臟每跳輸出量 (stroke volume) 、動靜脈含氧差 (arterio-venous O
2 difference) 等變項來進行比較。研究發現成熟較慢的兒童具備較大的運動 (155 bpm時) 攝氧量與心臟每跳輸出量；心臟每跳輸出量是攝氧量發展的主要原因，動靜脈含氧差則不會隨著青春期兒童年齡的增加而顯著上升。由此可見，造成青春期兒童心肺適能發展的原因，還包括心臟機能的發展。
Rowland, Goff, Martel, and Ferrone (2000)的研究也發現，淨體重接近的男童 (25名、12.0±0.4歲、體重42.3±7.4 kg、去脂體重33.5±4.2 kg) 最大攝氧量 (47.2±6.1 ml/kg/min)與女童 (24名、11.7±0.5歲、體重46.9±12.3 kg、去脂體重33.6±5.7 kg) 最大攝氧量 (40.4±5.8 ml/kg/min)的主要差異來源，在於心臟每跳輸出指數 (stroke index，心臟每跳輸出量與體表面積的比值，單位為ml/m
2，右圖) 與心輸出指數 (心輸出量與體表面積的比值，單位為L/min/m
2)；男童在最大運動時的心臟每跳輸出指數為62±9 ml/m
2，顯著大於女童的55±9 ml/m
2；男童在最大運動時的心輸出指數為12.34±2.16 ml/min/m
2，亦顯著大於女童的10.90±1.73 ml/min/m
2。由此可見，心肺適能的發展除了受到體重發展的影響以外，心臟機能的差異確實是男女心肺適能發展差異的原因之一。
身體體型的改變與心肺適能的發展，都是人體身體機能發展的現象。先前的相關研究都發現，不考量身體體型的改變下，青少年的心肺適能 (L/min) 會隨著年齡的增加而提升，女性大約在14歲可以達到最大的心肺適能，男性出現最大心肺適能的年齡則略高於女性；相對的，當以體重 (或去脂體重) 為考量因素，透過相對最大攝氧量 (ml/kg/min) 進行比較時，兒童與青少年心肺適能的發展，就會呈現完全不同的結果 (沒有增長、甚至下降的現象) 。
除此之外，身體體型的發展 (身高發展，例如PHV) 狀況、肌肉量 (去脂體重) 的差異性 (體脂肪百分比變化)、日常生活的身體活動型態、心臟每跳輸出量的發展等，都是促成心肺適能發展差異的主要變項；血液攜帶氧氣能力 (血紅素濃度) 對於心肺適能發展的影響，則還沒有一致的研究成果。無論如何，兒童心肺適能發展的相關課題，由於必須考量其他人體生理變項的生長與發展效應，顯然比一般成人的影響因素複雜許多。
引用文獻
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