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运动生理周讯(第267期) 摄氧量可以做什么？(July.20.2009) 作者：郑景峰 壹、前言 人体的能量系统，可供给运动时肌肉所需要的能源货币：腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate, ATP) 。而供能的能量系统，可简单地分成无氧能量系统与有氧能量系统，前者在生成ATP时，无须氧气的介入，而后者则相反。摄氧量的基本概念，是指组织细胞所能消耗或利用的氧气量，也就是说，摄氧量的多寡，便代表着有氧能量系统运作的情形。 摄氧量的测量，是运动生理学家常使用的检测指标，而摄氧量的测量器材中，最为人所知的，便是1911年C. G. Douglas所发展出可分析氧气与二氧化碳浓度的工具：道格拉斯袋 (Douglas bag) ； 这种以山羊胃制成的密闭空袋，可藉由搜集一段时间的呼气量与吸气量差额，以及二氧化碳的分析，进而换算出每分钟的摄氧量。道格拉斯袋虽然是早期运动生理学 家测量摄氧量的主要检测器材，但分析的时间与步骤相当耗时且繁琐。随着科技的进步，目前已经可透过精密的器材，实时且直接地分析出每一次吸气与呼气的氧气 浓度与二氧化碳浓度。这种分析的方法被称为「每一口气分析法 (breath by breath) 」，大幅地提升了摄氧量检测的简易性与方便性。而目前已有许多厂商研发出这类的机器，甚至有综评性的文章 (Macfarlane, 2001) ，为文撰述其间的信效度与价格的差异。 有鉴于摄氧量的测量在运动生理学上的广泛应用，本文的目的在于透过各类型应用摄氧量的研究文献，说明摄氧量的检测，在运动科学上的应用性与意义，进而提供运动生理学研究人员、教练、运动员以及研究生作为摄氧量检测与研究的参考。 贰、摄氧量的应用 根据笔者所搜集的文献资料，摄氧量的应用包括能量消耗的评估、心肺耐力的判定、能源物质的使用情形、运动效率的检定等方向。以下便逐一介绍其意义，并提供相关的研究文献以兹参考。 1.评估能量消耗与基础代谢率 既然有氧能量系统在产生ATP时，需要消耗氧气，因此，ATP的生成量势必与氧气的摄取量具有一定的相关性存在。也因此，摄氧量的测量，可供作能量消耗的评估，例如Scott, Croteau, 与Ravlo (2009) 便利用摄氧量的机器分析重量训练动作：仰卧推举 (bench press) 的能量消耗情形。Barfield, Sherman, 与Michael (2003) 则利用摄氧量的测量来观察固定式脚踏车与划船测功仪的能量消耗差异情形。除此之外，在探讨减肥的研究领域中，基础代谢率 (Basal Metabolic Rate, BMR) 与休息代谢率 (Resting Metabolic Rate, RMR) 的测量，便是探讨日常生活能量消耗情形的重要指标。Hoffman等 (2009) 便透过摄氧量来换算服用减肥药物后的能量消耗情形与休息代谢率。 2.评估心肺耐力 在摄氧量的应用上，最为人所熟知的，便是最大摄氧量 (maximal oxygen uptake, VO2max) 的测验了。既然名为「最大」，指的便是人体组织细胞所能消耗或利用的氧气最大量，而V上的一点，指的便是每分钟的意思。因此，VO2max的单位便是ml?kg-1?min-1或L?min-1，亦即分别表示每分钟每公斤体重所消耗的氧气量或是每分钟所消耗的氧氧量，通常又分别被称为「相对最大摄氧量」与「绝对最大摄氧量」。 最大摄氧量的检测方式，多数是采用递增负荷的方式，采集每一运动阶段的摄氧量，直至衰竭为止。一般而言，在衰竭阶段的摄氧量会出现高原 (plateau) 的现象，亦即若在此阶段继续增加运动负荷时，摄氧量会出现不再上升，甚至会有下降的现象 (Foster等, 2007) ，而此时的摄氧量即为该受试者的VO2max。早期的研究者认为，若此阶段的摄氧量变化幅度低于150 ml?min-1，便表示已出现高原现象，但Astorino等 (2005) 建议设定更严苛的判断标准，亦即低于50 ml?min-1，方能呈现高原的现象，同时，该作者也发现高原现象与受试者的体能水平或训练类型无关，而与器材的数据分析方法有关。Astorino等认为每一口气分析法或每15秒的分析法，会比传统的每分钟或每30秒的分析法来得容易反映出最大摄氧量的高原现象。 事实上，摄氧量的多寡，受到了与氧气运送有关的系统或器官所影响，包括负责气体交换的肺脏、运送氧气至工作肌群的血液循环系统、负责压送血液的心脏以及肌肉细胞撷取与使用氧气的能力 (Powers & Howley, 2001)。由此可见，最大摄氧量的高低，便与心肺的能力具有明显的关系存在，而最大摄氧量便被公认为评估心肺耐力的主要单一指标。这也难怪有许多文献会使用VO2max作为效标变项，以检验各种不同的田野测验方法与VO2max的相关程度，例如20公尺多阶折返跑 (20m Multistage Shuttle Run Test) (Metsios等, 2006) 、Yo-Yo间歇恢复测验 (Yo-Yo intermittent recovery test) (Dupont等, 2009) 等。 3.设定运动强度 在运动训练的领域中，运动强度的设定有许多的方法，例如固定距离设定时间，或是固定时间设定距离等，而在运动生理学的研究领域中，则可透过最大摄氧量的测量来设定运动强度。亦即将最大摄氧量所对应的速度、负荷等，视为100%，进而以百分比的方式设定运动强度，例如O’Donnell, Kirwan, 与Goodman (2009) 便利用最大摄氧量的方式，设定12周的有氧耐力训练课表（前2周的强度约为55%VO2max，而后增加至65%-75%VO2max），进而探讨有氧耐力训练与荷尔蒙疗法对于停经后妇女的影响。 虽然这种设定运动强度的方法，是运动科学领域上的传统作法，不过，人体在安静状态下的摄氧量并非为0，因此，摄氧量百分比的设定强度方法，似乎无法确实反应实际的生理状况。也因此，科学家们便发展出了保留摄氧量 (oxygen uptake reserve, VO2R) 的概念。保留摄氧量的概念是以最大摄氧量扣除安静时的摄氧量，将此段数值视为100%，而在计算出百分比之后，再加上安静时的摄氧量，让运动强度确实反映出高于安静状态时的程度。美国运动医学会 (American College of Sports Medicine [ACSM], 1998) 便建议坐姿成年人为促进心肺耐力的强度区间为40/50%-85%VO2R，其中40/50%的目的，主要是针对体能水平较虚弱者所设计，也就是说，体能较虚弱者可从40-49%VO2R的强度开始参与规律的运动。保留摄氧量百分比的计算公式如下， A% VO2R = A%•(VO2max－VO2rest)＋VO2rest 其中，A = 欲训练的运动强度，例如ACSM (1998) 建议的50%-85%；VO2rest = 安静时的每分钟摄氧量。 4.评估运动后过摄氧量 人体在运动结束后，呼吸、心跳与摄氧量等生理反应会从运动状态中逐渐地恢复至安静的水平。摄氧量从运动停止至完全恢复至安静水平时，此阶段高于安静摄氧量的氧气消耗总量，便被称为运动后过摄氧量 (excess postexercise oxygen consumption, EPOC) 。事实上，EPOC的概念，与1922年A. V. Hill所提出的氧债 (oxygen debt) 有点类似。Hill认为在运动初期的氧不足量，会由运动后恢复期所增加摄氧量来弥补之。不过，后来有许多研究发现，运动后恢复期所增加的摄氧量总量，往往会高于运动初期的氧不足总量。也因此，氧债的概念便逐渐转变成EPOC的概念了。 一般认为，运动后过摄氧量可分成快速阶段与慢速阶段，前者与ATP-PC恢复及乳酸的移除有关，而后者则与醣类、脂肪及蛋白质的恢复有关。在运动结束后数分钟，摄氧量会快速地降低，而在运动结束后数分钟之后至数小时，摄氧量下降的幅度便会趋缓，此阶段高于安静摄氧量的部份，有时甚至会持续至24小时以上。虽然大部分的研究在探讨运动所造成的能量消耗时，仍以运动时的能量消耗为主，不过，由于EPOC是因运动所引起的，所以在计算运动所造成的能量消耗时，应将EPOC考虑在内，例如LeCheminant等 (2008) 便以计算运动时能量消耗与EPOC的方式，探讨长期有氧耐力训练对于肥胖者在单次运动课能量消耗的影响，该作者也发现16个月的有氧耐力训练可增进男性年轻肥胖者的EPOC，而EPOC所消耗的能量大约是运动时能量消耗的10%。 5.评估运动经济性 在某一既定负荷下运动时，监测其摄氧量的多寡，可用以评估运动的经济性。亦即当两位选手在相同的跑步速度下运动时，摄氧量较高的选手，其运动经济性便会比摄氧量较低的选手来的差，反之亦然。运动经济性越高，代表着运动的效率会越佳。Daniels (1985) 指出先以12 km?h-1的方式在跑步机上热身7分钟，随后以14 km?h-1跑步速度运动8分钟，撷取14 km?h-1跑步速度时，第6分钟至第7分钟的摄氧量，即可代表跑步经济性 (running economy, RE) 。而遗传、训练内容、环境、生理条件、最大摄氧量、身材大小等均是影响跑步经济性的因素 (Foster & Lucia, 2007; Guglielmo, Greco, & Denadai, 2005; Saunders等, 2004)。 除了既定运动强度下的摄氧量之外，跑步经济性也可利用每分钟摄氧量除以速度的方式来表达，其单位便是ml?kg-1?km-1。除此之外，在固定式脚踏车上，也可计算运动经济性。Moseley与Jeukendrup (2001) 便让自行车选手以80 rpm的踩踏频率进行初始负荷60 W，每3分钟增加35 W的递增负荷脚踏车运动测验至衰竭。将每阶最后30秒的功率输出值 (W) 除以摄氧量 (L?min-1)，从而计算出脚踏车经济性 (kJ?L-1)。 6.摄氧动力学 在某一既定负荷下运动的初期（约2-3分钟），摄氧量会从安静状态立即上升至稳定状态，而持续在此负荷下继续运动3-6分钟时，摄氧量亦会逐渐地缓慢上升，这种现象便被称为摄氧动力学 (oxygen uptake kinetics) 。摄氧动力学的现象与EPOC相同，具有快速阶段与慢速阶段，前者即为运动一开始的初期阶段，而后者则是摄氧量缓慢上升的阶段。Jones与Carter (2000) 指出，耐力性运动员的快速阶段所花的时间，会比非运动员来得短，而在接受短期（6周）的有氧耐力训练之后，慢速阶段所增加的摄氧量幅度也会明显降低。因此，摄氧动力学被认为也可供作以非最大运动强度来评估有氧能力的指标之一。 7.呼吸交换率 呼吸交换率 (respiratory exchange rate, RER or R) 是指肺脏中氧气与二氧化碳交换的情形，可反映出巨量营养素在细胞内气体交换的情形，亦称为呼吸商 (respiratory quotient, RQ)。RER等于每分钟摄氧量除以每分钟产生的二氧化碳量。一般而言，当RER等于0.70时，则表示能量的消耗是由脂肪所提供，依据脂肪酸长度的不同，其范围会在0.69-0.73之间，而RER等于1.00时，则表示能量的消耗是由醣类所提供 (McArdle, Katch, & Katch, 2001)。在能量消耗的研究中，RER的使用，可供作能量来源的判断，例如Hoffman等 (2009) 便利用RER来探讨减肥药物对于巨量营养素使用的情形。 8.氧脉 氧脉是指每分钟摄氧量除以心跳率的一项指标，亦即VO2/HR。由于摄氧量等于心输出量乘以动静脉含氧差，因此，氧脉便等于每跳心输出量乘以动静脉含氧差。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 = 心输出量；a-V O2 difference = 动静脉含氧差；SV = 每跳心输出量；HR = 心跳率。 由此可知，若是周边组织摄氧的能力正常的话（a-V O2 difference不变），则氧脉便可视为每跳心输出量的能力，可间接推估左心室功能之好坏。 9.换气阈值与呼吸代偿点 在递增负荷运动测验时，可透过摄氧量的监测，除了可获得最大摄氧量的数据之外，亦可判断出换气阈值 (Ventilation Threshold, VT) 与呼吸代偿点 (Respiratory Compensation Point, RCP)。VT与RCP的判定，早期是利用递增负荷运动时的每分钟换气量 (VE) 来判断的，亦即随着运动强度的逐渐增加，换气量亦会逐渐上升，而在换气量（纵轴）与摄氧量（横轴）的坐标图上，可发现VE曲线会有两个曲折点，第一个曲折点即为VT，而第二个曲折点则为RCP，前者与乳酸阈值（Lactate Threshold, LT，约2 mmol•L-1）具显著相关，而后者则与血乳酸堆积起点（onset of blood lactate accumulation, OBLA，约4 mmol•L-1）具相关性。因此，这两个指标亦可供作评估心肺耐力的指标之一。 不过，由于换气阈值与呼吸代偿点的曲折点不易判定，后来便发展出以VE•VO2-1、VE•VCO2-1、潮气末氧分压 (end-tidal partial pressure of oxygen, PETO2) 与潮气末二氧化碳分压 (end-tidal partial pressure of carbon dioxide, PETCO2) 等指标进行判定的方法 (Lucia等, 2000) 。VT的判定是指VE•VO2-1与PETO2突然增加，但VE•VCO2-1尚未增加时；而RCP则是指VE•VO2-1与VE•VCO2-1增加，但PETCO2突然下降时，如此便大幅地提升了VT与RCP判断的准确性与方便性。 参、结语 摄氧量的测量是运动生理学家所使用的「传统」研究工具，目前已发展出许多的用途，包括评估心肺功能、能量代谢等，若搭配其它的生理指标，则有氧脉、呼吸 交换率、换气阈值等用途。而摄氧量的影响因素众多，包括负责气体交换的肺脏、运送氧气至工作肌群的血液循环系统、负责压送血液的心脏以及肌肉细胞撷取与使 用氧气的能力，甚至分析的器材也会造成数据差异的影响。当然，除了本文所介绍的9项应用之外，势必还会有其它的应用，例如利用氧债概念所发展出的最大累积缺氧量 (maximal accumulated oxygen deficit, MAOD)，便可供作无氧能力的判断。因此，本文的目的在抛砖引玉，藉由分享的概念，提供运动生理学界先进与后辈之参考，并祈各位先进补充本文不足之处，厚植国内运动生理学同好的研究能量。 谢志：本文得以顺利完成，作者要特别感谢本研究室成员一学期以来，在读书会上所分享的文献阅读心得报告，其中成员包括瑶璇、炜杰、钧逸、羿蓁、燕铃、彦荣、懿珊、佩筠、淑娥，以及大学部的馨苇与育瑄。 参考文献 American College of Sports Medicine. 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