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運(yùn)動(dòng)生理周訊(第267期) 攝氧量可以做什么？(July.20.2009) 作者：鄭景峰 壹、前言 人體的能量系統(tǒng)，可供給運(yùn)動(dòng)時(shí)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(tǒng)，可簡單地分成無氧能量系統(tǒng)與有氧能量系統(tǒng)，前者在生成ATP時(shí)，無須氧氣的介入，而后者則相反。攝氧量的基本概念，是指組織細(xì)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(tǒng)運(yùn)作的情形。 攝氧量的測量，是運(yùn)動(dòng)生理學(xué)家常使用的檢測指標(biāo)，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(fā)展出可分析氧氣與二氧化碳濃度的工具：道格拉斯袋 (Douglas bag) ； 這種以山羊胃制成的密閉空袋，可藉由搜集一段時(shí)間的呼氣量與吸氣量差額，以及二氧化碳的分析，進(jìn)而換算出每分鐘的攝氧量。道格拉斯袋雖然是早期運(yùn)動(dòng)生理學(xué) 家測量攝氧量的主要檢測器材，但分析的時(shí)間與步驟相當(dāng)耗時(shí)且繁瑣。隨著科技的進(jìn)步，目前已經(jīng)可透過精密的器材，實(shí)時(shí)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(fā)出這類的機(jī)器，甚至有綜評(píng)性的文章 (Macfarlane, 2001) ，為文撰述其間的信效度與價(jià)格的差異。 有鑒于攝氧量的測量在運(yùn)動(dòng)生理學(xué)上的廣泛應(yīng)用，本文的目的在于透過各類型應(yīng)用攝氧量的研究文獻(xiàn)，說明攝氧量的檢測，在運(yùn)動(dòng)科學(xué)上的應(yīng)用性與意義，進(jìn)而提供運(yùn)動(dòng)生理學(xué)研究人員、教練、運(yùn)動(dòng)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(yīng)用 根據(jù)筆者所搜集的文獻(xiàn)資料，攝氧量的應(yīng)用包括能量消耗的評(píng)估、心肺耐力的判定、能源物質(zhì)的使用情形、運(yùn)動(dòng)效率的檢定等方向。以下便逐一介紹其意義，并提供相關(guān)的研究文獻(xiàn)以茲參考。 1.評(píng)估能量消耗與基礎(chǔ)代謝率 既然有氧能量系統(tǒng)在產(chǎn)生ATP時(shí)，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(guān)性存在。也因此，攝氧量的測量，可供作能量消耗的評(píng)估，例如Scott, Croteau, 與Ravlo (2009) 便利用攝氧量的機(jī)器分析重量訓(xùn)練動(dòng)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劃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(lǐng)域中，基礎(chǔ)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(biāo)。Hoffman等 (2009) 便透過攝氧量來換算服用減肥藥物后的能量消耗情形與休息代謝率。 2.評(píng)估心肺耐力 在攝氧量的應(yīng)用上，最為人所熟知的，便是最大攝氧量 (maximal oxygen uptake, VO2max) 的測驗(yàn)了。既然名為「最大」，指的便是人體組織細(xì)胞所能消耗或利用的氧氣最大量，而V上的一點(diǎn)，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(duì)最大攝氧量」與「絕對(duì)最大攝氧量」。 最大攝氧量的檢測方式，多數(shù)是采用遞增負(fù)荷的方式，采集每一運(yùn)動(dòng)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(huì)出現(xiàn)高原 (plateau) 的現(xiàn)象，亦即若在此階段繼續(xù)增加運(yùn)動(dòng)負(fù)荷時(shí)，攝氧量會(huì)出現(xiàn)不再上升，甚至?xí)邢陆档默F(xiàn)象 (Foster等, 2007) ，而此時(shí)的攝氧量即為該受試者的VO2max。早期的研究者認(rèn)為，若此階段的攝氧量變化幅度低于150 ml?min-1，便表示已出現(xiàn)高原現(xiàn)象，但Astorino等 (2005) 建議設(shè)定更嚴(yán)苛的判斷標(biāo)準(zhǔn)，亦即低于50 ml?min-1，方能呈現(xiàn)高原的現(xiàn)象，同時(shí)，該作者也發(fā)現(xiàn)高原現(xiàn)象與受試者的體能水平或訓(xùn)練類型無關(guān)，而與器材的數(shù)據(jù)分析方法有關(guān)。Astorino等認(rèn)為每一口氣分析法或每15秒的分析法，會(huì)比傳統(tǒng)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(xiàn)象。 事實(shí)上，攝氧量的多寡，受到了與氧氣運(yùn)送有關(guān)的系統(tǒng)或器官所影響，包括負(fù)責(zé)氣體交換的肺臟、運(yùn)送氧氣至工作肌群的血液循環(huán)系統(tǒng)、負(fù)責(zé)壓送血液的心臟以及肌肉細(xì)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(guān)系存在，而最大攝氧量便被公認(rèn)為評(píng)估心肺耐力的主要單一指標(biāo)。這也難怪有許多文獻(xiàn)會(huì)使用VO2max作為效標(biāo)變項(xiàng)，以檢驗(yàn)各種不同的田野測驗(yàn)方法與VO2max的相關(guān)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(fù)測驗(yàn) (Yo-Yo intermittent recovery test) (Dupont等, 2009) 等。 3.設(shè)定運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度 在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的領(lǐng)域中，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的設(shè)定有許多的方法，例如固定距離設(shè)定時(shí)間，或是固定時(shí)間設(shè)定距離等，而在運(yùn)動(dòng)生理學(xué)的研究領(lǐng)域中，則可透過最大攝氧量的測量來設(shè)定運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。亦即將最大攝氧量所對(duì)應(yīng)的速度、負(fù)荷等，視為100%，進(jìn)而以百分比的方式設(shè)定運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，例如O’Donnell, Kirwan, 與Goodman (2009) 便利用最大攝氧量的方式，設(shè)定12周的有氧耐力訓(xùn)練課表（前2周的強(qiáng)度約為55%VO2max，而后增加至65%-75%VO2max），進(jìn)而探討有氧耐力訓(xùn)練與荷爾蒙療法對(duì)于停經(jīng)后婦女的影響。 雖然這種設(shè)定運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的方法，是運(yùn)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域上的傳統(tǒng)作法，不過，人體在安靜狀態(tài)下的攝氧量并非為0，因此，攝氧量百分比的設(shè)定強(qiáng)度方法，似乎無法確實(shí)反應(yīng)實(shí)際的生理狀況。也因此，科學(xué)家們便發(fā)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(shí)的攝氧量，將此段數(shù)值視為100%，而在計(jì)算出百分比之后，再加上安靜時(shí)的攝氧量，讓運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度確實(shí)反映出高于安靜狀態(tài)時(shí)的程度。美國運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)會(huì) (American College of Sports Medicine [ACSM], 1998) 便建議坐姿成年人為促進(jìn)心肺耐力的強(qiáng)度區(qū)間為40/50%-85%VO2R，其中40/50%的目的，主要是針對(duì)體能水平較虛弱者所設(shè)計(jì)，也就是說，體能較虛弱者可從40-49%VO2R的強(qiáng)度開始參與規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。保留攝氧量百分比的計(jì)算公式如下， A% VO2R = A%•(VO2max－VO2rest)＋VO2rest 其中，A = 欲訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，例如ACSM (1998) 建議的50%-85%；VO2rest = 安靜時(shí)的每分鐘攝氧量。 4.評(píng)估運(yùn)動(dòng)后過攝氧量 人體在運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，呼吸、心跳與攝氧量等生理反應(yīng)會(huì)從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中逐漸地恢復(fù)至安靜的水平。攝氧量從運(yùn)動(dòng)停止至完全恢復(fù)至安靜水平時(shí)，此階段高于安靜攝氧量的氧氣消耗總量，便被稱為運(yùn)動(dòng)后過攝氧量 (excess postexercise oxygen consumption, EPOC) 。事實(shí)上，EPOC的概念，與1922年A. V. Hill所提出的氧債 (oxygen debt) 有點(diǎn)類似。Hill認(rèn)為在運(yùn)動(dòng)初期的氧不足量，會(huì)由運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期所增加攝氧量來彌補(bǔ)之。不過，后來有許多研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期所增加的攝氧量總量，往往會(huì)高于運(yùn)動(dòng)初期的氧不足總量。也因此，氧債的概念便逐漸轉(zhuǎn)變成EPOC的概念了。 一般認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)后過攝氧量可分成快速階段與慢速階段，前者與ATP-PC恢復(fù)及乳酸的移除有關(guān)，而后者則與醣類、脂肪及蛋白質(zhì)的恢復(fù)有關(guān)。在運(yùn)動(dòng)結(jié)束后數(shù)分鐘，攝氧量會(huì)快速地降低，而在運(yùn)動(dòng)結(jié)束后數(shù)分鐘之后至數(shù)小時(shí)，攝氧量下降的幅度便會(huì)趨緩，此階段高于安靜攝氧量的部份，有時(shí)甚至?xí)掷m(xù)至24小時(shí)以上。雖然大部分的研究在探討運(yùn)動(dòng)所造成的能量消耗時(shí)，仍以運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量消耗為主，不過，由于EPOC是因運(yùn)動(dòng)所引起的，所以在計(jì)算運(yùn)動(dòng)所造成的能量消耗時(shí)，應(yīng)將EPOC考慮在內(nèi)，例如LeCheminant等 (2008) 便以計(jì)算運(yùn)動(dòng)時(shí)能量消耗與EPOC的方式，探討長期有氧耐力訓(xùn)練對(duì)于肥胖者在單次運(yùn)動(dòng)課能量消耗的影響，該作者也發(fā)現(xiàn)16個(gè)月的有氧耐力訓(xùn)練可增進(jìn)男性年輕肥胖者的EPOC，而EPOC所消耗的能量大約是運(yùn)動(dòng)時(shí)能量消耗的10%。 5.評(píng)估運(yùn)動(dòng)經(jīng)濟(jì)性 在某一既定負(fù)荷下運(yùn)動(dòng)時(shí)，監(jiān)測其攝氧量的多寡，可用以評(píng)估運(yùn)動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性。亦即當(dāng)兩位選手在相同的跑步速度下運(yùn)動(dòng)時(shí)，攝氧量較高的選手，其運(yùn)動(dòng)經(jīng)濟(jì)性便會(huì)比攝氧量較低的選手來的差，反之亦然。運(yùn)動(dòng)經(jīng)濟(jì)性越高，代表著運(yùn)動(dòng)的效率會(huì)越佳。Daniels (1985) 指出先以12 km?h-1的方式在跑步機(jī)上熱身7分鐘，隨后以14 km?h-1跑步速度運(yùn)動(dòng)8分鐘，擷取14 km?h-1跑步速度時(shí)，第6分鐘至第7分鐘的攝氧量，即可代表跑步經(jīng)濟(jì)性 (running economy, RE) 。而遺傳、訓(xùn)練內(nèi)容、環(huán)境、生理?xiàng)l件、最大攝氧量、身材大小等均是影響跑步經(jīng)濟(jì)性的因素 (Foster & Lucia, 2007; Guglielmo, Greco, & Denadai, 2005; Saunders等, 2004)。 除了既定運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下的攝氧量之外，跑步經(jīng)濟(jì)性也可利用每分鐘攝氧量除以速度的方式來表達(dá)，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(jì)算運(yùn)動(dòng)經(jīng)濟(jì)性。Moseley與Jeukendrup (2001) 便讓自行車選手以80 rpm的踩踏頻率進(jìn)行初始負(fù)荷60 W，每3分鐘增加35 W的遞增負(fù)荷腳踏車運(yùn)動(dòng)測驗(yàn)至衰竭。將每階最后30秒的功率輸出值 (W) 除以攝氧量 (L?min-1)，從而計(jì)算出腳踏車經(jīng)濟(jì)性 (kJ?L-1)。 6.攝氧動(dòng)力學(xué) 在某一既定負(fù)荷下運(yùn)動(dòng)的初期（約2-3分鐘），攝氧量會(huì)從安靜狀態(tài)立即上升至穩(wěn)定狀態(tài)，而持續(xù)在此負(fù)荷下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)3-6分鐘時(shí)，攝氧量亦會(huì)逐漸地緩慢上升，這種現(xiàn)象便被稱為攝氧動(dòng)力學(xué) (oxygen uptake kinetics) 。攝氧動(dòng)力學(xué)的現(xiàn)象與EPOC相同，具有快速階段與慢速階段，前者即為運(yùn)動(dòng)一開始的初期階段，而后者則是攝氧量緩慢上升的階段。Jones與Carter (2000) 指出，耐力性運(yùn)動(dòng)員的快速階段所花的時(shí)間，會(huì)比非運(yùn)動(dòng)員來得短，而在接受短期（6周）的有氧耐力訓(xùn)練之后，慢速階段所增加的攝氧量幅度也會(huì)明顯降低。因此，攝氧動(dòng)力學(xué)被認(rèn)為也可供作以非最大運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度來評(píng)估有氧能力的指標(biāo)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(yǎng)素在細(xì)胞內(nèi)氣體交換的情形，亦稱為呼吸商 (respiratory quotient, RQ)。RER等于每分鐘攝氧量除以每分鐘產(chǎn)生的二氧化碳量。一般而言，當(dāng)RER等于0.70時(shí)，則表示能量的消耗是由脂肪所提供，依據(jù)脂肪酸長度的不同，其范圍會(huì)在0.69-0.73之間，而RER等于1.00時(shí)，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(duì)于巨量營養(yǎng)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(xiàng)指標(biāo)，亦即VO2/HR。由于攝氧量等于心輸出量乘以動(dòng)靜脈含氧差，因此，氧脈便等于每跳心輸出量乘以動(dòng)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(dòng)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(diǎn) 在遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)測驗(yàn)時(shí)，可透過攝氧量的監(jiān)測，除了可獲得最大攝氧量的數(shù)據(jù)之外，亦可判斷出換氣閾值 (Ventilation Threshold, VT) 與呼吸代償點(diǎn) (Respiratory Compensation Point, RCP)。VT與RCP的判定，早期是利用遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)時(shí)的每分鐘換氣量 (VE) 來判斷的，亦即隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的逐漸增加，換氣量亦會(huì)逐漸上升，而在換氣量（縱軸）與攝氧量（橫軸）的坐標(biāo)圖上，可發(fā)現(xiàn)VE曲線會(huì)有兩個(gè)曲折點(diǎn)，第一個(gè)曲折點(diǎn)即為VT，而第二個(gè)曲折點(diǎn)則為RCP，前者與乳酸閾值（Lactate Threshold, LT，約2 mmol•L-1）具顯著相關(guān)，而后者則與血乳酸堆積起點(diǎn)（onset of blood lactate accumulation, OBLA，約4 mmol•L-1）具相關(guān)性。因此，這兩個(gè)指標(biāo)亦可供作評(píng)估心肺耐力的指標(biāo)之一。 不過，由于換氣閾值與呼吸代償點(diǎn)的曲折點(diǎn)不易判定，后來便發(fā)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(biāo)進(jìn)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(shí)；而RCP則是指VE•VO2-1與VE•VCO2-1增加，但PETCO2突然下降時(shí)，如此便大幅地提升了VT與RCP判斷的準(zhǔn)確性與方便性。 參、結(jié)語 攝氧量的測量是運(yùn)動(dòng)生理學(xué)家所使用的「傳統(tǒng)」研究工具，目前已發(fā)展出許多的用途，包括評(píng)估心肺功能、能量代謝等，若搭配其它的生理指標(biāo)，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(fù)責(zé)氣體交換的肺臟、運(yùn)送氧氣至工作肌群的血液循環(huán)系統(tǒng)、負(fù)責(zé)壓送血液的心臟以及肌肉細(xì)胞擷取與使 用氧氣的能力，甚至分析的器材也會(huì)造成數(shù)據(jù)差異的影響。當(dāng)然，除了本文所介紹的9項(xiàng)應(yīng)用之外，勢必還會(huì)有其它的應(yīng)用，例如利用氧債概念所發(fā)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(yùn)動(dòng)生理學(xué)界先進(jìn)與后輩之參考，并祈各位先進(jìn)補(bǔ)充本文不足之處，厚植國內(nèi)運(yùn)動(dòng)生理學(xué)同好的研究能量。 謝志：本文得以順利完成，作者要特別感謝本研究室成員一學(xué)期以來，在讀書會(huì)上所分享的文獻(xiàn)閱讀心得報(bào)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(xué)部的馨葦與育瑄。 參考文獻(xiàn) American College of Sports Medicine. 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