運動生理週訊(第267期)
攝氧量可以做什麼？(July.20.2009)
國立臺灣師範大學運動競技學系 鄭景峰
壹、前言
人體的能量系統，可供給運動時肌肉所需要的能源貨幣：腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate, ATP) 。而供能的能量系統，可簡單地分成無氧能量系統與有氧能量系統，前者在生成ATP時，無須氧氣的介入，而後者則相反。攝氧量的基本概念，是指組織細胞所能消耗或利用的氧氣量，也就是說，攝氧量的多寡，便代表著有氧能量系統運作的情形。
攝氧量的測量，是運動生理學家常使用的檢測指標，而攝氧量的測量器材中，最為人所知的，便是1911年C. G. Douglas所發展出可分析氧氣與二氧化碳濃度的工具：道格拉斯袋 (Douglas bag) ；這種以山羊胃製成的密閉空袋，可藉由蒐集一段時間的呼氣量與吸氣量差額，以及二氧化碳的分析，進而換算出每分鐘的攝氧量。道格拉斯袋雖然是早期運動生理學家測量攝氧量的主要檢測器材，但分析的時間與步驟相當耗時且繁瑣。隨著科技的進步，目前已經可透過精密的器材，即時且直接地分析出每一次吸氣與呼氣的氧氣濃度與二氧化碳濃度。這種分析的方法被稱為「每一口氣分析法 (breath by breath) 」，大幅地提升了攝氧量檢測的簡易性與方便性。而目前已有許多廠商研發出這類的機器，甚至有綜評性的文章 (Macfarlane, 2001) ，為文撰述其間的信效度與價格的差異。
有鑑於攝氧量的測量在運動生理學上的廣泛應用，本文的目的在於透過各類型應用攝氧量的研究文獻，說明攝氧量的檢測，在運動科學上的應用性與意義，進而提供運動生理學研究人員、教練、運動員以及研究生作為攝氧量檢測與研究的參考。
貳、攝氧量的應用
根據筆者所蒐集的文獻資料，攝氧量的應用包括能量消耗的評估、心肺耐力的判定、能源物質的使用情形、運動效率的檢定等方向。以下便逐一介紹其意義，並提供相關的研究文獻以茲參考。
1.評估能量消耗與基礎代謝率
既然有氧能量系統在產生ATP時，需要消耗氧氣，因此，ATP的生成量勢必與氧氣的攝取量具有一定的相關性存在。也因此，攝氧量的測量，可供作能量消耗的評估，例如Scott, Croteau, 與Ravlo (2009) 便利用攝氧量的機器分析重量訓練動作：仰臥推舉 (bench press) 的能量消耗情形。Barfield, Sherman, 與Michael (2003) 則利用攝氧量的測量來觀察固定式腳踏車與划船測功儀的能量消耗差異情形。除此之外，在探討減肥的研究領域中，基礎代謝率 (Basal Metabolic Rate, BMR) 與休息代謝率 (Resting Metabolic Rate, RMR) 的測量，便是探討日常生活能量消耗情形的重要指標。Hoffman等 (2009) 便透過攝氧量來換算服用減肥藥物後的能量消耗情形與休息代謝率。
2.評估心肺耐力
在攝氧量的應用上，最為人所熟知的，便是最大攝氧量 (maximal oxygen uptake, VO2max) 的測驗了。既然名為「最大」，指的便是人體組織細胞所能消耗或利用的氧氣最大量，而V上的一點，指的便是每分鐘的意思。因此，VO2max的單位便是ml∙kg-1∙min-1或L∙min-1，亦即分別表示每分鐘每公斤體重所消耗的氧氣量或是每分鐘所消耗的氧氧量，通常又分別被稱為「相對最大攝氧量」與「絕對最大攝氧量」。
最大攝氧量的檢測方式，多數是採用遞增負荷的方式，採集每一運動階段的攝氧量，直至衰竭為止。一般而言，在衰竭階段的攝氧量會出現高原 (plateau) 的現象，亦即若在此階段繼續增加運動負荷時，攝氧量會出現不再上升，甚至會有下降的現象 (Foster等, 2007) ，而此時的攝氧量即為該受試者的VO2max。早期的研究者認為，若此階段的攝氧量變化幅度低於150 ml∙min-1，便表示已出現高原現象，但Astorino等 (2005) 建議設定更嚴苛的判斷標準，亦即低於50 ml∙min-1，方能呈現高原的現象，同時，該作者也發現高原現象與受試者的體能水準或訓練類型無關，而與器材的資料分析方法有關。Astorino等認為每一口氣分析法或每15秒的分析法，會比傳統的每分鐘或每30秒的分析法來得容易反映出最大攝氧量的高原現象。
事實上，攝氧量的多寡，受到了與氧氣運送有關的系統或器官所影響，包括負責氣體交換的肺臟、運送氧氣至工作肌群的血液循環系統、負責壓送血液的心臟以及肌肉細胞擷取與使用氧氣的能力 (Powers & Howley, 2001)。由此可見，最大攝氧量的高低，便與心肺的能力具有明顯的關係存在，而最大攝氧量便被公認為評估心肺耐力的主要單一指標。這也難怪有許多文獻會使用VO2max作為效標變項，以檢驗各種不同的田野測驗方法與VO2max的相關程度，例如20公尺多階折返跑 (20m Multistage Shuttle Run Test) (Metsios等, 2006) 、Yo-Yo間歇恢復測驗 (Yo-Yo intermittent recovery test) (Dupont等, 2009) 等。
3.設定運動強度
在運動訓練的領域中，運動強度的設定有許多的方法，例如固定距離設定時間，或是固定時間設定距離等，而在運動生理學的研究領域中，則可透過最大攝氧量的測量來設定運動強度。亦即將最大攝氧量所對應的速度、負荷等，視為100%，進而以百分比的方式設定運動強度，例如O’Donnell, Kirwan, 與Goodman (2009) 便利用最大攝氧量的方式，設定12週的有氧耐力訓練課表（前2週的強度約為55%VO2max，而後增加至65%-75%VO2max），進而探討有氧耐力訓練與荷爾蒙療法對於停經後婦女的影響。
雖然這種設定運動強度的方法，是運動科學領域上的傳統作法，不過，人體在安靜狀態下的攝氧量並非為0，因此，攝氧量百分比的設定強度方法，似乎無法確實反應實際的生理狀況。也因此，科學家們便發展出了保留攝氧量 (oxygen uptake reserve, VO2R) 的概念。保留攝氧量的概念是以最大攝氧量扣除安靜時的攝氧量，將此段數值視為100%，而在計算出百分比之後，再加上安靜時的攝氧量，讓運動強度確實反映出高於安靜狀態時的程度。美國運動醫學會 (American College of Sports Medicine [ACSM], 1998) 便建議坐姿成年人為促進心肺耐力的強度區間為40/50%-85%VO2R，其中40/50%的目的，主要是針對體能水準較虛弱者所設計，也就是說，體能較虛弱者可從40-49%VO2R的強度開始參與規律的運動。保留攝氧量百分比的計算公式如下，
A% VO2R = A%•(VO2max－VO2rest)＋VO2rest
其中，A = 欲訓練的運動強度，例如ACSM (1998) 建議的50%-85%；VO2rest = 安靜時的每分鐘攝氧量。
4.評估運動後過攝氧量
人體在運動結束後，呼吸、心跳與攝氧量等生理反應會從運動狀態中逐漸地恢復至安靜的水準。攝氧量從運動停止至完全恢復至安靜水準時，此階段高於安靜攝氧量的氧氣消耗總量，便被稱為運動後過攝氧量 (excess postexercise oxygen consumption, EPOC) 。事實上，EPOC的概念，與1922年A. V. Hill所提出的氧債 (oxygen debt) 有點類似。Hill認為在運動初期的氧不足量，會由運動後恢復期所增加攝氧量來彌補之。不過，後來有許多研究發現，運動後恢復期所增加的攝氧量總量，往往會高於運動初期的氧不足總量。也因此，氧債的概念便逐漸轉變成EPOC的概念了。
一般認為，運動後過攝氧量可分成快速階段與慢速階段，前者與ATP-PC恢復及乳酸的移除有關，而後者則與醣類、脂肪及蛋白質的恢復有關。在運動結束後數分鐘，攝氧量會快速地降低，而在運動結束後數分鐘之後至數小時，攝氧量下降的幅度便會趨緩，此階段高於安靜攝氧量的部份，有時甚至會持續至24小時以上。雖然大部分的研究在探討運動所造成的能量消耗時，仍以運動時的能量消耗為主，不過，由於EPOC是因運動所引起的，所以在計算運動所造成的能量消耗時，應將EPOC考量在內，例如LeCheminant等 (2008) 便以計算運動時能量消耗與EPOC的方式，探討長期有氧耐力訓練對於肥胖者在單次運動課能量消耗的影響，該作者也發現16個月的有氧耐力訓練可增進男性年輕肥胖者的EPOC，而EPOC所消耗的能量大約是運動時能量消耗的10%。
5.評估運動經濟性
在某一既定負荷下運動時，監測其攝氧量的多寡，可用以評估運動的經濟性。亦即當兩位選手在相同的跑步速度下運動時，攝氧量較高的選手，其運動經濟性便會比攝氧量較低的選手來的差，反之亦然。運動經濟性越高，代表著運動的效率會越佳。Daniels (1985) 指出先以12 km∙h-1的方式在跑步機上熱身7分鐘，隨後以14 km∙h-1跑步速度運動8分鐘，擷取14 km∙h-1跑步速度時，第6分鐘至第7分鐘的攝氧量，即可代表跑步經濟性 (running economy, RE) 。而遺傳、訓練內容、環境、生理條件、最大攝氧量、身材大小等均是影響跑步經濟性的因素 (Foster & Lucia, 2007; Guglielmo, Greco, & Denadai, 2005; Saunders等, 2004)。
除了既定運動強度下的攝氧量之外，跑步經濟性也可利用每分鐘攝氧量除以速度的方式來表達，其單位便是ml∙kg-1∙km-1。除此之外，在固定式腳踏車上，也可計算運動經濟性。Moseley與Jeukendrup (2001) 便讓自行車選手以80 rpm的踩踏頻率進行初始負荷60 W，每3分鐘增加35 W的遞增負荷腳踏車運動測驗至衰竭。將每階最後30秒的功率輸出值 (W) 除以攝氧量 (L∙min-1)，從而計算出腳踏車經濟性 (kJ∙L-1)。
6.攝氧動力學
在某一既定負荷下運動的初期（約2-3分鐘），攝氧量會從安靜狀態立即上升至穩定狀態，而持續在此負荷下繼續運動3-6分鐘時，攝氧量亦會逐漸地緩慢上升，這種現象便被稱為攝氧動力學 (oxygen uptake kinetics) 。攝氧動力學的現象與EPOC相同，具有快速階段與慢速階段，前者即為運動一開始的初期階段，而後者則是攝氧量緩慢上升的階段。Jones與Carter (2000) 指出，耐力性運動員的快速階段所花的時間，會比非運動員來得短，而在接受短期（6週）的有氧耐力訓練之後，慢速階段所增加的攝氧量幅度也會明顯降低。因此，攝氧動力學被認為也可供作以非最大運動強度來評估有氧能力的指標之一。
7.呼吸交換率
呼吸交換率 (respiratory exchange rate, RER or R) 是指肺臟中氧氣與二氧化碳交換的情形，可反映出巨量營養素在細胞內氣體交換的情形，亦稱為呼吸商 (respiratory quotient, RQ)。RER等於每分鐘攝氧量除以每分鐘產生的二氧化碳量。一般而言，當RER等於0.70時，則表示能量的消耗是由脂肪所提供，依據脂肪酸長度的不同，其範圍會在0.69-0.73之間，而RER等於1.00時，則表示能量的消耗是由醣類所提供 (McArdle, Katch, & Katch, 2001)。在能量消耗的研究中，RER的使用，可供作能量來源的判斷，例如Hoffman等 (2009) 便利用RER來探討減肥藥物對於巨量營養素使用的情形。
8.氧脈
氧脈是指每分鐘攝氧量除以心跳率的一項指標，亦即VO2/HR。由於攝氧量等於心輸出量乘以動靜脈含氧差，因此，氧脈便等於每跳心輸出量乘以動靜脈含氧差。亦即，
VO2 = CO × a-V O2 difference
= SV × HR × a-V O2 difference
VO2/HR = SV × HR × a-V O2 differenceHR = SV × a-V O2 difference
其中CO = 心輸出量；a-V O2 difference = 動靜脈含氧差；SV = 每跳心輸出量；HR = 心跳率。
由此可知，若是周邊組織攝氧的能力正常的話（a-V O2 difference不變），則氧脈便可視為每跳心輸出量的能力，可間接推估左心室功能之好壞。
9.換氣閾值與呼吸代償點
在遞增負荷運動測驗時，可透過攝氧量的監測，除了可獲得最大攝氧量的數據之外，亦可判斷出換氣閾值 (Ventilation Threshold, VT) 與呼吸代償點 (Respiratory Compensation Point, RCP)。VT與RCP的判定，早期是利用遞增負荷運動時的每分鐘換氣量 (VE) 來判斷的，亦即隨著運動強度的逐漸增加，換氣量亦會逐漸上升，而在換氣量（縱軸）與攝氧量（橫軸）的座標圖上，可發現VE曲線會有兩個曲折點，第一個曲折點即為VT，而第二個曲折點則為RCP，前者與乳酸閾值（Lactate Threshold, LT，約2 mmol•L-1）具顯著相關，而後者則與血乳酸堆積起點（onset of blood lactate accumulation, OBLA，約4 mmol•L-1）具相關性。因此，這兩個指標亦可供作評估心肺耐力的指標之一。
不過，由於換氣閾值與呼吸代償點的曲折點不易判定，後來便發展出以VE•VO2-1、VE•VCO2-1、潮氣末氧分壓 (end-tidal partial pressure of oxygen, PETO2) 與潮氣末二氧化碳分壓 (end-tidal partial pressure of carbon dioxide, PETCO2) 等指標進行判定的方法 (Lucia等, 2000) 。VT的判定是指VE•VO2-1與PETO2突然增加，但VE•VCO2-1尚未增加時；而RCP則是指VE•VO2-1與VE•VCO2-1增加，但PETCO2突然下降時，如此便大幅地提升了VT與RCP判斷的準確性與方便性。
參、結語
攝氧量的測量是運動生理學家所使用的「傳統」研究工具，目前已發展出許多的用途，包括評估心肺功能、能量代謝等，若搭配其他的生理指標，則有氧脈、呼吸交換率、換氣閾值等用途。而攝氧量的影響因素眾多，包括負責氣體交換的肺臟、運送氧氣至工作肌群的血液循環系統、負責壓送血液的心臟以及肌肉細胞擷取與使用氧氣的能力，甚至分析的器材也會造成數據差異的影響。當然，除了本文所介紹的9項應用之外，勢必還會有其他的應用，例如利用氧債概念所發展出的最大累積缺氧量 (maximal accumulated oxygen deficit, MAOD)，便可供作無氧能力的判斷。因此，本文的目的在拋磚引玉，藉由分享的概念，提供運動生理學界先進與後輩之參考，並祈各位先進補充本文不足之處，厚植國內運動生理學同好的研究能量。
謝誌：本文得以順利完成，作者要特別感謝本研究室成員一學期以來，在讀書會上所分享的文獻閱讀心得報告，其中成員包括瑤璇、煒杰、鈞逸、羿蓁、燕鈴、彥榮、懿珊、佩筠、淑娥，以及大學部的馨葦與育瑄。
參考文獻
American College of Sports Medicine. (1998). The recommended quantity and quality of exercise for developing and maintaining cardiorespiratory and muscular fitness, and flexibility in healthy adults. Medicine and Science in Sports and Exercise, 30(6), 975-991.
Astorino, T. A., Willey, J., Kinnahan, J., Larsson, S. M., Welch, H., & Dalleck, L. C. (2005). Elucidating determinants of the plateau in oxygen consumption at VO2max. British Journal of Sports Medicine, 39(9), 655-660.
Barfield, J., Sherman, T. E., & Michael, T. J. (2003). Response similarities between cycle and rowing ergometry. Physical Therapy in Sport, 4(2), 82-86.
Daniels, J. T. (1985). A physiologist's view of running economy. Medicine and Science in Sports and Exercise, 17(3), 332-338.
Dupont, G., Defontaine, M., Bosquet, L., Blondel, N., Moalla, W., & Berthoin, S. (2009). Yo-Yo intermittent recovery test versus the Université de Montréal Track Test: Relation with a high-intensity intermittent exercise. Journal of Science and Medicine in Sport, in press. Epub ahead of print retrieved July 16, 2009, from http://dx.doi.org/10.1016/j.jsams.2008.10.007
Foster, C., Kuffel, E., Bradley, N., Battista, R. A., Wright, G., Porcari, J. P., Lucia, A., & deKoning, J. J. (2007). VO2max during successive maximal efforts. European Journal of Applied Physiology, 102(1), 67-72.
Foster, C., & Lucia, A. (2007). Running economy: The forgotten factor in elite performance. Sports Medicine, 37(4-5), 316-319.
Guglielmo, L. G. A., Greco, C. C., & Denadai, B. S. (2005). Relationship of maximal aerobic power and muscular strength with the running economy in endurance athletes. Revista Brasileira de Medicina do Esporte, 11(1). doi: 10.1590/S1517-86922005000100006
Hoffman, J. R., Kang, J., Ratamess, N. A., Rashti, S. L., Tranchina, C. P., & Faigenbaum, A. D. (2009). Thermogenic effect of an acute ingestion of a weight loss supplement. Journal of the International Society of Sports Nutrition, 6, 1. doi:10.1186/1550-2783-6-1
Jones, A. M., & Carter, H. (2000). The effect of endurance training on parameters of aerobic fitness. Sports Medicine, 29(6), 373-386.
LeCheminant, J. D., Jacobsen, D. J., Bailey, B. W., Mayo, M. S., Hill, J. O., Smith, B. K., & Donnelly, J. E. (2008). Effects of long-term aerobic exercise on EPOC. International Journal of Sports Medicine, 29(1), 53-58.
Lucía, A., Hoyos, J., Pérez, M., & Chicharro, J. L. (2000). Heart rate and performance parameters in elite cyclists: a longitudinal study. Medicine and Science in Sports and Exercise, 32(10), 1777-1782.
Macfarlane, D. J. (2001). Automated metabolic gas analysis systems: A review. Sports Medicine, 31(12), 841-861.
McArdle, W. D., Katch, F. I., & Katch, V. L. (2001). Exercise physiology: Energy, nutrition, and human performance (5th ed.). MD: Lippincott Williams & Wilkins.
Metsios, G. S., Flouris, A. D., Koutedakis, Y., & Theodorakis, Y. (2006). The effect of performance feedback on cardiorespiratory fitness field tests. Journal of Science and Medicine in Sport, 9(3), 263-266.
Moseley, L., & Jeukendrup, A. E. (2001). The reliability of cycling efficiency. Medicine and Science in Sports and Exercise, 33(4), 621-627.
O'Donnell, E., Kirwan, L. D., & Goodman, J. M. (2009). Aerobic exercise training in healthy postmenopausal women: Effects of hormone therapy. Menopause, 16(4), 770-776.
Powers, S. K., & Howley, E. T. (2001). Exercise physiology: Theory and application to fitness and performance (4th ed.). NY: McGraw-Hill Companies.
Saunders, P. U., Pyne, D. B., Telford, R. D., & Hawley, J. A. (2004). Factors affecting running economy in trained distance runners. Sports Medicine, 34(7), 465-485.
Scott, B. C., Croteau, A., & Ravlo, T. (2009). Energy expenditure before, during, and after the bench press. Journal of Strength and Conditioning Research, 23(2), 611-618.
|
