運動生理週訊(第448期)
高強度間歇訓練(HIIT)(December.19.2020)
林正常
前言
高強度間歇訓練 (high intensity interval training, HIIT) 是一種使用於運動員健康成人與老年人，甚至醫院病患，用以提升無氧與有氧身體機能的訓練方法。這些年來，有非常多的研究，針對HIIT進行探討。它是以反覆高強度間歇運動 (high intensity interval exercise, HIIE) 做為訓練手段的訓練方法。
依據名稱，這種運動或訓練模式，有2個條件必須符合：
| (1) | 高強度：如最大攝氧量90%的運動強度。一般體育、公衛與醫學單位推薦的適當運動訓練之強度，屬於中等強度的訓練，就不屬於HIIT。 |
| (2) | 分段實施：分數個運動期，運動期與運動期之間必須安排休息期。 |
在60年前，瑞典的研究人員 (Astrand等, 1960)，曾經以一位受過訓練的25歲男子，在一個小時，分別間斷的 (intermittent) 進行運動期0.5、1、2或3分鐘之原地腳踏，運動與運動中間夾著休息期，總作功64,800 kpm。實驗過程中分析攝氧量、換氣量、心跳率與血乳酸。結果發現，重運動如分成數小段，交替運動與休息 (0.5或1分鐘)，對於循環與呼吸，就會變成非最大負荷 (submaximal load)，就能持續1個小時。而較長的作業輸出，運動者就接近能力的上限，需要使出全力才能完成。作者解釋在短作業與休息時，在斷斷續續作業中，肌紅蛋白發揮其氧氣儲存的功能。
HIIT的分類
HIIT分成4類 (Buchheit & Laursen, 2013)：
| (1) | 長間歇的高強度間歇訓練 (long interval HIIT)：強度相當於或稍低於最大有氧動力，持續超過1分鐘，運動休息比為1:1、1:2、或 1:3，主要針對有氧動力與無氧系統發展的間歇訓練。 |
| (2) | 短間歇的高強度間歇訓練 (short interval HITT)：強度相當於或稍高於最大有氧動力 (至120%)，持續時間短於1分鐘，運動休息比為1:1、2:1、或3:1，主要發展有氧動力與無氧系統的間歇訓練。 |
| (3) | 反覆間歇訓練 (repeated sprint training, RST)：以5-8 秒進行最大攝氧量120%-160% 的強度，夾著非常長恢復期，以針對團隊運動的神經肌與代謝發展。 |
| (4) | 衝刺間歇訓練 (sprint interval training, SIT)：以4-6次30秒的最大努力衝刺，3-4分鐘間隔時間之完全恢復，針對有氧與無氧產生非常高的刺激之間歇訓練。 |
近年來，HIIT是相當受研究人員重視的訓練方法。過去的運動訓練法中，會提到間歇訓練法，主要是使用於運動員的能力提升訓練。對於這種運動訓練，運動員都感覺到是相當有挑戰性。
在1960年代，在介紹間歇訓練時，總會提到這是一種訓練，強度是訓練時，讓心跳率上升到每分鐘180次，接著休息至心跳率恢復至每分鐘120次/分，算是運動間採用不完全休息的運動訓練法，那時候不叫HIIT，而是interval training (間歇訓練)。
HIIT的發展
曾經使用這種訓練方法的知名教練Woldemar Gerschler，是一位德國負責1936、1952、1956與1960奧運會的中長跑教練，算是間歇訓練的先驅。Woldemar Gerschler與心臟學家Herbert Reindel，有感於當時有速度遊戲 (speed play) 之稱的Fartlek跑步訓練 (瑞典人Gosta Holmer所創)，無法明確顯示訓練內容，也無從解說如何漸進，於是開創了間歇訓練 (interval training) (Cress, Porcari & Foster, 2015)。
此外，一位有名的運動員Roger Bannister，也值得一提。Roger Bannister後來成為英國爵士，也是位神經生理學家，早期在牛津大學就讀醫學院，1954年5月6日他在回母校參加1英里賽跑中奪冠，在那時，他成為地球上首位1英里，跑進4分鐘的人，打破了人們心目中的人類極限。因為他課業繁忙，訓練時間相當受限，他採用密集緊湊的訓練方式，他的訓練是跑10次1分鐘全速快跑，快跑間，做了幾分鐘休息的跑法。
另一位值得注意的是日本學者田畑泉 (Izumi Tabata)，他是聞名的Tabata 訓練方式的創始人。他曾經於1996年在美國運動醫學與科學雜誌 (Medicine & Science in Sports & Exercise) 發表了一篇文章 (Tabata等, 1996)，比較中等強度耐力與高強度間斷性訓練對於無氧能量與最大攝氧量的效果。論文包括2個實驗，第一個實驗是6週之中等強度耐力訓練對於無氧能量 (最大累積缺氧量) 的影響。訓練的方法，是以7個受試者，踩機械性的Monark腳踏車，以最大攝氧量70%的強度，每天60分鐘，每週5天。發現訓練後無氧能量未見改善，但是最大攝氧量由每公斤體重每分鐘53 ± 5 ml進步到58 ± 3 ml (P <0.01)。
田畑泉的另一實驗，也以7個受試者，每週5天，以最大攝氧量的170%強度，每次踩車20秒，中間休息10秒鐘，共計7-8組，進行6週的衰竭性的間斷性訓練。訓練後，最大攝氧量每公斤體重每分鐘進步7毫升，無氧能量增加28%。田畑教授的研究，顯示中等強度的有氧耐力訓練增加最大有氧能量，不影響無氧能量，而高強度間斷性訓練，有氧與無氧2種能量皆能獲得改善。
從以上的文獻，可知HIIT就是使用運動期短，強度較高的間歇訓練的一種。
HIIT的模式
另外，Cress等 (2015) 將HIIT分成Tabata、溫蓋特 (Wingate)、一般 (conventional) 與臨床 (clinical) 等4種模式。Tabata訓練模式，原先用於奧運速度滑冰選手以原地腳踏車，以170%最大攝氧量之強度，每次20秒，進行8次，每次中間10秒鐘進行休息或非常低強度的活動。後來訓練強度大幅低於170%最大攝氧量，也一樣採用20:10之運動休息比 (work-to-rest ratio)，一次訓練只花4分鐘。
溫蓋特無氧動力測驗，學運動生理學的人應該相當熟悉。用在HIIT它是30秒鐘在原地腳踏車上，進行最大努力踩車，運動後有4分鐘的動態休息，反覆4-6次，總耗時約18-27分鐘。除溫蓋特模式，專以Monark腳踏車外，跑步機、手搖車，或甚至阻力運動皆可使用作HIIT的訓練器械。
持續30秒最大踩車就是有名的溫蓋特無氧動力測驗的方法，如果是單一次的運動，能量系統屬於ATP-PC系統。2013年有一篇文獻回顧 (Gist等, 2014)，探討無氧系統之衝刺間歇訓練 (SIT) 對有氧能力的影響。針對16個隨機控制實驗中，總共318名 (平均年齡 23.5 ± 4.3 歲) 受試對象。研究結果顯示這種超強的SIT，增加有氧能量每公斤體重每分鐘3.6毫升，增加約8%。效果顯著地優於沒運動的控制組，效果與耐力訓練的對照組沒有顯著差異。結論指出，一次又一次30秒全力踩車、超大或100%最大攝氧量之強度，運動休息比是30秒：4分鐘 (3-5分鐘休息期) 的SIT，也具備提升有氧耐力的效果。SIT是改善心肺耐力與其他健康相關結果的另一種選擇。換句話說，這種SIT總共一次訓練不超過15分鐘，就具有提升有氧耐力的潛能。
一般常用的HIIT模式，是用90%保留心跳率 (HRR) 維持60秒，運動與運動之間實施60秒動態或安靜休息，反覆10回合，總費時是20分鐘。此一模式，主要應用對象，以年輕健康的族群居多。
至於臨床的HIIT模式，則以85-95%最大心跳率，進行4分鐘，運動與運動間隔3分鐘，以60-70%最大心跳率的運動休息，反覆4回合，全部費時也才25分鐘。
筆者曾經於1979年在俄亥俄大學進修，該校研究團隊，在間歇訓練的研究上，值得一提。Fox等 (1973) 發現HIIT在最大攝氧量的提升效果，關鍵在於運動強度，而非訓練距離，研究也發現訓練強度上的差異，主要來自於組織低氧 (hypoxic) 上的差異。
事實上，國內外過去也曾有過研究，比較持續性運動 (continuous exercise) 與分段式運動 (nonconsecutive exercise) 的訓練效果上差異。如原本30分鐘的運動，分2次實施。分段式的運動方式，雖然稍微麻煩，時間稍延長，但是耗能的效果會更多，用以鼓勵無法找到完整運動時間的人，分段實施，增加能量的消耗。耗能會更多，主要是因為一次運動之後，在休息期會有運動後過攝氧量 (excess post-exercise oxygen consumption, EPOC) 的現象。運動後，除血壓會下降一段時間外，一段相當長的時間，耗氧量持續升高，表示還有後續的能量消耗。
不論是早期的間歇訓練，或是後來標榜為「高強度」的HIIT，設計的原理都一樣。早期的間歇訓練也有運動期較短，持續時間僅10秒或20秒的高強度之處方。幾十年前發展出的間歇訓練，似乎沒有能夠像現在的HIIT般之受重視。期望HIIT的流行趨勢，勿僅止於學術研究，而能廣泛應用在運動訓練者，用來更有效率的提升包括有氧與無氧能力之運動表現。
HIIT的應用
如前所述，高強度間歇訓練 (high intensity interval training, HIIT) 是相當熱門的研究課題。有關HIIT的效果以及它的安全性方面。
研究顯示，HIIT可以增加最大攝氧量、內皮細胞功能 (endothelial function)、肌氧化能量、肌肝醣量、氫離子緩衝能量以及至疲勞衰竭的時間。HIIT增加骨骼肌葡萄糖轉運蛋白-4，有助於改善第二型糖尿病危險率，降低腹部與全身脂肪的能力更優於中等強度的耐力運動訓練 (Cress等, 2015)。當然，較長運動期，也能增加有氧能力的效果。
一份美國運動醫學會的單張資料，由Len Kravitz提供的一篇高強度間歇訓練的文章 (American College of Sports Medicine, 2014)，提到HIIT為何流行，指出理由包括：
| 1. | 可因不同體能與疾病 (超重或糖尿病) 而調整。 |
| 2. | 可在許多運動模式：如踏車、走路、游泳、水中訓練、橢圓交叉機訓練(elliptical cross-training) 與許多訓練班別中使用。 |
| 3. | 比一般持續性耐力訓練費時短，體能提升效果相同。 |
| 4. | 據有運動後過攝氧量，2小時內提升攝氧水準，增加6-15%的休息能量消耗。 |
除大家耳熟能詳提升速度與耐力的效果外，它還可以提升：有氧與無氧體能、血壓、心血管健康、胰島素敏感性 (幫助運動肌肉用氧做為能源)、膽固醇指數、腹部脂肪與體重，同時維持肌肉質量。
(一) 運動員
德國研究人員Engel等 (2018) 針對577位、18歲以下、不同運動項目的男女年輕健康運動員，包括足球、越野滑雪、手球、游泳、高山滑雪、籃球、曲棍球、橄欖球、衝浪、網球等項目。在2017年蒐集文獻，調查為期四週以上或5-14天之小週期HIIT訓練，在運動體能、運動成績或生理指標變項的影響。
HIIT設定在 ≥90% 最大攝氧量，90-95% 最大心跳率，或超大間歇衝刺訓練。控制組只實施被動控制或其他運動 (包括低強度運動，特殊運動訓練或其他形式運動)。作者使用Hedges' g 效果量及95%信賴區間，比較HIIT與其他訓練組。
研究發現HIIT小而正向地提升最大有氧尖峰值 (7.2 ± 6.9% vs. 4.3 ± 6.9%)、跑步能力，改善反覆衝刺能力、跳躍能力與非最大心跳率。HIIT 大幅而正向地影響跑步速度與各閾值出現時間 (乳酸或換氣)，以及衝刺跑步能力。研究結論指出，HIIT可以小量提升無氧能力，包括反覆衝刺能力、直線快跑能力，具提升無氧指標的交叉效果，提升比無氧能力較多的有氧能力。HIIT以較少時間，可以挪出更多時間，用於改善年輕與青少年運動員的運動相關技巧與技術等相關能力。
Franchini, Cormack, & Takito (2019) 從117篇論文中挑出9篇 (5篇柔道，拳擊、空手道、角力與跆拳道各1篇)，發現對這些運動員的體脂肪與體重沒有訓練效果，但提昇最大攝氧量4.4%-23.0%，最有效的是增加無氧動力與能量。
(二) 老年人
老年人研究，Keating等 (2020) 發現HIIT可提升身體機能，包括最大攝氧量、心臟功能與代謝，並改善最大作業能力與生活品質。此一系統性回顧發現HIIT可以有許多不同方式，在不同環境下實施，是一個可以提升老年人心肺耐力的有效運動方法。研究者提醒，雖然有疾病的老年人也可忍受HIIT，但安全性還有待確認。
畢竟HIIT也只是運動的一種實施方式，可以預見，過往運動相關研究所發現的效果，HIIT也將可能一一呈現，而且是老少咸宜。至於運動員，雖然可以作為訓練的輔助，不過，必須了解的是運動成績的影響要素相當多元，運動員的訓練大多有針對性，更針對性的訓練手段，可能更容易提升運動表現。
HIIT的安全考量
Levinger等 (2015) 發現HIIT訓練中或訓練後24小時內，心臟代謝患者(cardiometabolic disease)，危險率約8%，稍高於過去之MCT研究。
Rognmo等 (2012) 在挪威3個心臟復健中心，比較HIIT與中強度連續運動的影響。以4846心冠病患者為對象，總共175820 運動訓練時數，兩種訓練，1 個致命心臟停止 (fatal cardiac arrest) 發生在中等強度的運動中 (129456運動時數)，2個非致命的cardiac arrest發生在HIIT (46364運動時數)，沒有心肌梗塞者。研究者認為在心血管復健中心之環境，這種心血管事件的危險率算是低的。衝刺間歇訓練 (SIT) 與短作業期的高強度間歇訓練 (reduced exertion high-intensity interval training, REHIT) 發生危險率，還未研究過，因此建議不要採用於心冠病患者。
Ellingsen等 (2017) 在15篇研究中，包括259參加者，只有一篇研究，出現3件HIIT的負面事件。其中一個ventricular arrhythmia，恢復；一個arrhythmia，停止訓練：最後一個運動後3小時頭暈，最後也完成訓練計畫。本研究發覺有不少患者無法完成90%最大心跳率強度的運動，HIIT在heart failure射出率下降病人的訓練角色，有待近一步評估。
Cress等 (2015) 指出間歇訓練對任何族群都有用，對低度風險 (risk) 的人是安全的，中度危險的人需醫師確認可行，而高風險以及有心血管疾病的患者，則需有美國運動醫學會註冊的臨床運動生理學專家臨場監督。為防範傷害，訓練前最好先提升體能。建議每週3-5次的中等強度的有氧訓練，每次20-60分鐘，並每週2次 (不連續天)，連續數週的阻力訓練。有了基礎體能後，先從中強度間歇訓練開始，再挑戰高強度訓練。
筆者以為，應該鼓勵有足夠訓練背景身體情況良好的傑出運動員或活躍的健康年輕人，以審慎態度，以漸進的方式，施作HIIT。至於，身體情況不佳，習慣坐式生活型態的人，需在醫院的環境，有專門醫師在場監督。心血管與慢性病患者不要貿然實施HIIT，而健康無慢性病的人，在嘗試HIIT之前，應有基礎體能的鍛鍊，需先打好基礎再行施作。
結語
過往的間歇訓練研究，經過半個世紀後，再度復活進化。它大致上是提高一點運動強度，再行分段實施，大幅減輕運動者的運動困難程度與心理感受。HIIT既可獲得運動後過攝氧量增加的額外效益，感覺累時，可以停歇休息，全部運動時間又大幅縮短，迎合多數人的胃口。或許，HIIT可以部分解決世人不運動的藉口，或許，在運動推廣上，將注入強心針，讓更多的人，願意投入規律運動的行列。未來的影響如何，值得大家拭目以待。
台灣體壇在這波學術研究熱潮中，並未缺席。Lee, Kou, & Cheng (2018) 也在ACSM期刊中，發表HIIT提升飯後脂質代謝的研究論文。
最後建議讀者參考「運動生理學訓練的科學基礎」 (林正常譯，1987) 與「運動科學與訓練」 (林正常編著，2013)。這兩本書分別有專章 (第11章與第18章) 介紹傳統的間歇訓練。或許，你不會發現HIIT與傳統的間歇訓練的差異所在。
引用文獻
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