專題報告

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1 教 育 部 補 助 研 究 生 出 席 國 際 會 議 研 究 論 文 全 文 低 氧 運 動 訓 練 增 加 血 管 動 力 學 及 骨 骼 肌 肉 氧 氣 利 用 Hypoxic Exercise Training Enhances Vascular Hemodynamics and Oxygen Utilization in Skeletal Muscles 指 導 老 師 : 王 鐘 賢 教 授 研 究 生 : 吳 旻 寰 中 華 民 國 九 十 八 年 四 月

2 摘 要 背 景 與 目 的 : 低 氧 運 動 訓 練 應 用 在 臨 床 上 主 要 理 論 價 值 在 其 面 對 一 個 壓 力 所 產 生 的 適 應 性 能 用 以 抵 禦 另 一 個 壓 力 的 交 叉 防 護 作 用 高 地 適 應 會 引 起 肺 換 氣 量 的 提 升 與 循 環 系 統 增 加 氧 氣 傳 輸 到 局 部 組 織 的 能 力 並 改 變 局 部 組 織 對 氧 氣 利 用 的 最 佳 化 然 而 長 期 低 氧 運 動 訓 練 對 於 在 骨 骼 肌 肉 對 於 氧 氣 的 傳 輸 與 利 用 的 影 響 目 前 尚 不 清 楚 方 法 : 健 康 的 坐 式 生 活 年 輕 男 性 分 為 五 個 組 別 並 分 別 接 受 每 天 20 分 鐘 一 周 5 天 連 續 四 周 的 訓 練, 此 五 組 分 別 為 : 兩 個 低 氧 運 動 訓 練 組 (15% 氧 氣 濃 度 的 環 境 中 以 60% 最 大 作 功 強 度 與 60% 心 跳 儲 備 率 做 為 各 自 的 負 荷 量 ), 單 純 低 氧 訓 練 組 (15% 氧 氣 濃 度 的 環 境 ), 單 純 運 動 訓 練 組 (60% 最 大 作 功 強 度 ) 在 原 地 腳 踏 車 上 進 行 訓 練, 另 一 組 為 控 制 組 過 程 中 會 量 測 動 脈 血 氧 飽 和 濃 度, 心 肺 適 能, 血 管 動 力 學 和 肌 肉 攝 氧 量 與 再 充 氧 能 力 初 步 結 果 : (1) 四 周 的 低 氧 運 動 訓 練 會 藉 由 增 加 受 測 者 的 肺 換 氣 量 以 增 進 他 們 的 有 氧 能 力 中 的 無 氧 閾 值 和 最 大 運 動 表 現 (2) 在 訓 練 之 前 急 性 暴 露 於 12% 氧 氣 濃 度 下 在 骨 骼 肌 肉 會 減 少 動 脈 充 血, 靜 脈 適 應 性 低 氧 運 動 訓 練 顯 示 骨 骼 肌 肉 在 常 氧 下 會 減 少 動 脈 充 血 與 靜 脈 適 應 性, 反 之 透 過 這 樣 的 低 氧 運 動 訓 練 介 入 後 暴 露 於 12% 氧 氣 濃 度 急 性 低 氧 下 這 樣 的 落 差 會 減 小 (3) 儘 管 在 訓 練 前 暴 露 於 急 性 低 氧 12% 氧 氣 濃 度 的 2

3 環 境 下 會 減 少 肌 肉 氧 消 耗 和 氧 氣 回 充 率,12% 氧 氣 濃 度 的 低 氧 導 致 骨 骼 肌 肉 氧 氣 利 用 的 下 降 會 經 過 四 周 的 低 氧 運 動 訓 練 而 改 善 結 論 : 長 期 低 氧 運 動 訓 練 可 以 促 進 心 肺 適 能 和 增 加 低 氧 限 制 骨 骼 肌 肉 對 氧 氣 傳 輸 與 利 用 的 耐 受 度 臨 床 意 義 : 本 實 驗 發 現 一 個 合 適 的 低 氧 運 動 劑 量 可 藉 由 引 起 生 理 上 有 益 的 改 變 來 促 進 有 氧 能 力 3

4 Abstract Background and purpose: The primary rationale for clinical use of hypoxic training is the potential cross-protective value of adaptation to one stress, which then provides resistance to another stress. Acclimatization to high altitude causes a progressive increase in pulmonary ventilation, adaptation of the circulatory system to enhance delivery of oxygen to tissues, and changes at the tissue level that optimize utilization of oxygen. However, the effects of long-term hypoxic exercise training on the oxygen transport and utilization in skeletal muscle remain unclear. Methods: Healthy sedentary young men were trained on a bicycle ergometer, engaging five groups in a normobaric hypoxia chamber: two hypoxic exercise training groups (i.e., 15% O2 with 60%VO2max and 60%HRR), hypoxic training group (i.e., 15% O2), exercise training group (60%VO2max), and control group. Duration of training is 20 minutes per day, 5 days per week for 4 weeks. Arterial-venous O 2 saturation, cardiopulmonary fitness, vascular hemodynamics, and muscles oxygen consumption and re-oxygenation rate were measured. Preliminary results: (1) Four weeks of hypoxic exercise training improved subjects aerobic fitness at ventilation threshold and maximal performance by increasing their efficiency of pulmonary ventilation. (2) Acute exposure to 12%O 2 decreased arterial hyperemia and venous compliance in the skeletal muscle at pre-training state. Hypoxic exercise training appeared to decrease arterial hyperemia and venous compliance in the skeletal muscle under normoxic condition, whereas the changes of vascular hemodynamics by 12%O 2 hypoxic exposure were diminished following this intervention. (3) Although acute exposure to 12%O 2 decreased muscular oxygen consumption and re-oxygenation rate at pre-training state, the 12%O 2 hypoxia-declined O 2 utilization in skeletal muscle was ameliorated by 4 weeks of hypoxic exercise training. Conclusions: long-term hypoxic exercise training can improve cardiopulmonary fitness and increase the tolerance to hypoxia-limited O 2 transport and utilization in skeletal muscle. Clinical relevance: These experimental findings provide a strategy of suitable hypoxic exercise regimens that improve aerobic capacity by eliciting beneficial physiology changes. 4

5 目 錄 第 一 章 緒 論 (Introduction)...9 第 一 節 研 究 背 景 及 目 的... 9 第 二 節 研 究 假 設 第 三 節 研 究 範 圍 與 限 制 第 四 節 名 詞 解 釋 與 操 作 行 定 義 第 二 章 文 獻 回 顧 (Literature Review)...18 第 一 節 低 氧 的 分 類 第 二 節 低 氧 的 生 理 反 應 低 氧 換 氣 反 應 (Hypoxic ventilation response) 肺 部 氣 體 交 換 (Pulmonary gas exchange) 血 液 氣 體 運 輸 與 酸 鹼 平 衡 (Blood-gas transport and acid-base balance) 血 液 學 (Hematology) 心 血 管 循 環 系 統 (Cardiovascular system) 兒 茶 氛 胺 的 反 應 (Catecholamine Response) 急 性 低 氧 對 於 化 學 感 受 器 之 影 響 組 織 對 氧 的 利 用 與 擷 取 第 三 章 實 驗 設 計 (Experimental Design)...31 第 一 節 實 驗 材 料 (Study equipments) 第 二 節 研 究 對 象 (Subject) 第 三 節 研 究 設 計 (Study design) 第 四 節 研 究 步 驟 (Study protocol) 最 大 運 動 測 試 的 實 驗 步 驟 血 液 氣 體 分 析 氧 合 血 紅 素 飽 和 度 及 血 壓 之 測 試 急 性 低 氧 耐 受 度 刺 激 測 驗 低 氧 運 動 訓 練 流 程 實 驗 流 程 總 表 第 五 節 資 料 擷 取 與 統 計 分 析 第 四 章 初 步 結 果 (Preliminary Data)...46 第 一 節 受 測 者 身 體 測 量 健 康 狀 態 及 活 動 情 形 調 查 ( 表 一 表 二 ) 46 第 二 節 不 同 組 別 最 大 運 動 測 試 表 現 與 變 化 ( 表 三 表 四 ) 第 三 節 不 同 組 別 最 大 運 動 測 試 前 後 及 回 復 後 兩 小 時 血 液 氣 體 參 數 的 變 化 ( 圖 十 ) 第 四 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 上 肢 靜 脈 血 管 功 能 表 現 ( 圖 十 一 ) 上 肢 靜 脈 功 能 訓 練 前 後 的 常 氧 進 入 低 氧 下 皆 無 顯 著 差 異, 靜 脈 流 量 5

6 (Venous Blood Flow) 訓 練 後 常 氧 下 會 下 降 靜 脈 阻 力 (Venous Resistance) 訓 練 後 常 氧 下 會 上 升 小 結 : 上 肢 因 為 沒 有 受 到 運 動 訓 練 的 介 入 只 有 單 純 低 氧 的 暴 露, 所 以 訓 練 前 後 對 於 上 肢 差 異 性 不 大, 絕 對 作 功 組 與 相 對 作 功 組 間 去 作 比 較 發 現 血 流 量 與 阻 力 在 絕 對 作 功 組 在 常 氧 會 出 現 變 化, 可 能 是 因 為 絕 對 作 功 組 的 訓 練 強 度 比 較 強, 因 為 相 較 於 相 對 作 功 組 會 使 血 管 阻 力 上 升 血 流 減 緩 第 五 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 下 肢 靜 脈 血 管 功 能 表 現 ( 圖 十 二 ) 第 六 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 上 肢 動 脈 血 管 功 能 表 現 ( 圖 十 三 ) 上 肢 無 論 絕 對 作 功 組 或 相 對 作 功 組 對 於 動 脈 血 液 回 流 的 表 現 上 皆 沒 有 顯 著 差 異 小 結 : 可 能 是 因 為 上 肢 僅 有 單 純 低 氧 介 入 所 以 在 動 脈 的 功 能 表 現 上 沒 有 太 大 的 差 異 性 第 七 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 下 肢 動 脈 血 管 功 能 表 現 ( 圖 十 四 ) 經 過 訓 練 後 動 脈 血 回 流 在 30 秒 時 在 低 氧 中 有 顯 著 下 降 其 餘 沒 有 顯 著 差 異 小 結 : 可 能 因 為 相 對 作 功 組 別 的 負 荷 強 度 對 於 動 脈 功 能 上 沒 有 顯 著 的 助 益 第 八 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 上 肢 局 部 組 織 靜 脈 血 管 功 能 的 表 現 ( 圖 十 五 ) 第 九 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 下 肢 局 部 組 織 靜 脈 血 管 功 能 的 表 現 ( 圖 十 六 ) 第 十 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 局 部 組 織 上 肢 動 脈 血 管 功 能 的 表 現 ( 圖 十 七 ) 第 十 一 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 局 部 組 織 下 肢 動 脈 血 管 功 能 的 表 現 ( 圖 十 八 ) 第 十 二 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 上 肢 局 部 組 織 氧 代 謝 的 表 現 ( 圖 十 九 ) 第 十 三 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 下 肢 局 部 組 織 氧 代 謝 的 表 現 ( 圖 二 十 ) 第 十 四 節 不 同 組 別 動 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 在 低 氧 負 荷 運 動 表 現 ( 圖 二 十 一 ) 第 十 五 節 絕 對 作 功 組 別 動 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 在 訓 練 前 後 血 心 管 循 環 常 氧 與 低 氧 下 的 變 化 ( 圖 二 十 二 ) 第 十 六 節 絕 對 作 功 組 別 動 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 周 邊 阻 力 在 常 氧 低 氧 6

7 下 變 化 ( 圖 二 十 三 ) 第 十 七 節 絕 對 作 功 組 別 動 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 大 腦 組 織 與 作 功 肌 群 局 部 組 織 氧 氣 利 用 與 代 謝 在 常 氧 低 氧 下 變 化 未 來 研 究 目 標...61 圖 表 附 錄...62 圖 一 不 同 低 氧 劑 量 結 合 不 同 運 動 強 度 在 血 氧 濃 度 心 跳 血 壓 上 的 改 變 量 % 氧 氣 濃 度 結 合 60 最 大 作 功 運 動 相 較 常 氧 下 中 度 運 動 心 跳 較 高 但 動 脈 壓 較 低, 對 心 臟 的 負 荷 比 其 他 組 別 輕, 故 較 合 宜.. 62 圖 二 NIRS 系 統 在 局 部 組 織 作 用 原 理 示 意 圖 圖 三 2005 年 C. J. de Ruiter 等 學 者 使 用 NIRS 系 統 所 做 的 研 究 圖 四 大 腦 與 作 功 肌 常 氧 低 氧 下 最 大 運 動 限 制 圖 五 靜 態 即 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 上 肢 偵 測 點 圖 六 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 下 肢 驗 偵 測 點 圖 七 動 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 時 下 肢 偵 測 點 圖 八 動 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 時 大 腦 前 葉 偵 測 點 圖 九 心 臟 功 能 測 試 貼 片 貼 黏 處 表 一 絕 對 作 功 強 度 組 別 訓 練 前 後 受 測 者 基 本 資 料 表 二 相 對 作 功 強 度 組 訓 練 前 後 別 受 測 者 基 本 資 料 表 三 絕 對 作 功 強 度 組 別 訓 練 前 後 最 大 運 動 測 試 表 現 表 四 絕 對 作 功 強 度 組 別 訓 練 前 後 最 大 運 動 測 試 表 現 圖 十 不 同 組 別 對 於 PH 酸 鹼 值 PaCO2 動 脈 二 氧 化 碳 分 壓 HCO3- 碳 酸 氫 根 Lactate 血 乳 酸 值 等 血 液 氣 體 分 析 數 值 的 變 化 圖 十 一 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 上 肢 靜 脈 血 管 功 能 圖 十 三 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 肢 動 脈 血 管 功 能 表 現 圖 十 四 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 肢 動 脈 血 管 功 能 表 現 圖 十 五 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 上 肢 局 部 組 織 靜 脈 血 管 功 能 表 現 圖 十 六 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 下 肢 局 部 組 織 靜 脈 血 管 功 能 表 現 圖 十 七 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 上 肢 局 部 組 織 動 脈 血 管 功 能 表 現 圖 十 八 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 下 肢 局 部 組 織 動 脈 血 管 功 能 表 現 圖 十 九 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 上 肢 局 部 組 織 氧 代 謝 表 現. 83 圖 二 十 一 不 同 組 別 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 局 動 低 氧 負 荷 運 動 測 試 圖 二 十 二 絕 對 作 功 組 別 動 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 在 訓 練 前 後 血 心 管 循 環 常 氧 與 低 氧 下 的 變 化

8 圖 二 十 一 三 絕 對 作 功 組 別 動 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 在 訓 練 前 後 周 邊 阻 力 常 氧 與 低 氧 下 的 變 化 圖 二 十 四 絕 對 作 功 組 別 動 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 大 腦 組 織 與 作 功 肌 群 局 部 組 織 氧 氣 利 用 與 代 謝 在 常 氧 低 氧 下 變 化 參 考 文 獻 (References)...89 附 件 一...94 附 件 二...96 附 件 三

9 第 一 章 緒 論 (Introduction) 第 一 節 研 究 背 景 及 目 的 自 1968 年 的 墨 西 哥 奧 運 以 來, 高 地 訓 練 利 用 環 境 因 子 的 介 入 來 改 善 運 動 員 的 大 最 運 動 表 現 能 力 已 成 為 一 個 熱 門 的 話 題, 基 於 方 便 性 及 經 濟 性 之 考 量 近 年 來 實 驗 室 的 環 境 已 可 創 造 出 模 擬 高 地 氧 分 壓 的 環 境, 這 些 方 法 包 括 : 常 壓 低 氧 法 (normobaric hypoxia via nitrogen dilution), 氧 氣 補 充 法 (supplemental oxygen), 間 歇 性 低 氧 (intermittent hypoxic exposure) 過 去 大 部 份 的 實 驗 都 把 焦 點 放 在 頂 尖 運 動 員 的 運 動 訓 練, 近 年 來 則 開 始 著 眼 於 觀 察 環 境 當 中 的 氧 分 壓 下 降 即 低 氧 性 低 氧 (hypoxic hypoxia) 此 刺 激 可 能 造 成 身 體 的 各 種 生 理 反 應 變 化 當 身 體 面 臨 低 氧 環 境 時 會 出 現 相 當 多 的 生 理 反 應, 包 括 了 : 周 邊 血 管 舒 張 (peripheral vasodilatation) 肺 部 血 管 收 縮 (pulmonary vasoconstriction ) 兒 茶 酚 氨 素 的 合 成 增 加 (catecholamine synthesis) 改 變 無 氧 代 謝 (anaerobic metabolism) 紅 血 球 新 生 (erythropoietin) 血 管 新 生 (angiogenesis) 發 炎 反 應 (inflammation) 和 免 疫 反 應 (immune function) 等 等 (Cai et al., 2003;Kong et al., 2004;Cramer et al., 2003), 這 些 都 是 生 理 因 應 外 在 環 境 改 變 所 產 生 9

10 的 反 應 低 氧 環 境 對 於 改 變 生 理 上 氧 氣 的 運 輸 與 利 用 有 些 貢 獻, 造 成 漸 進 性 的 肺 部 通 氣 量 增 加 (Katayama et al. 2001a) 讓 造 血 系 統 產 生 適 應 (Katayama et al. 2001a; Rodriguez et al. 1999), 增 加 血 液 系 統 運 送 氧 氣 到 身 體 各 個 組 織 的 適 應 性 並 改 變 組 織 更 有 效 率 的 利 用 氧 氣 的 能 力 ( Elander et al. 1984), 藉 此 增 加 有 氧 能 力 及 抵 禦 急 性 低 氧 壓 力 的 能 力 (Neubauer 2001) 然 而 長 期 性 處 於 病 態 的 低 氧 環 境 也 會 造 成 不 利 的 影 響, 其 中 包 含 了 產 生 肺 部 和 系 統 性 高 壓 (Fagan 2001; Fletcher 2001) 提 高 受 到 氧 化 傷 害 的 敏 感 度 及 其 他 心 血 管 疾 病 (Prabhakar et al. 2007) 等, 所 以 不 同 的 氧 氣 濃 度 與 在 低 氧 下 時 間 的 長 短 都 會 影 響 生 理 反 應, 故 低 氧 的 介 入 可 是 為 改 變 環 境 因 子 近 而 改 變 生 理 狀 態 的 處 方 低 氧 對 於 身 體 是 一 種 壓 力 也 是 一 種 刺 激, 對 於 不 同 氧 氣 濃 度 劑 量 的 急 性 反 應 也 有 完 全 異 迴 的 影 響, 因 此 如 何 利 用 低 氧 對 於 生 理 的 益 處 並 避 免 對 於 生 理 上 產 生 限 制, 端 看 如 何 選 定 一 個 最 佳 的 低 氧 介 入 處 方 找 到 最 適 的 氧 氣 濃 度 與 時 間 ; 過 去 實 驗 室 曾 運 用 不 同 的 氧 氣 濃 度 下 經 長 期 短 時 間 的 間 歇 性 低 氧 刺 激, 使 身 體 產 生 適 應 並 改 善 氧 氣 的 傳 輸 與 利 用 得 以 提 高 最 大 攝 氧 量, 並 增 加 無 氧 閾 值, 但 因 為 單 純 10

11 只 有 低 氧 的 介 入 對 於 最 大 作 功 量 的 能 力 會 有 所 限 制, 無 法 增 加 肌 力 產 生 更 好 的 運 動 表 現, 並 且 發 現 血 管 功 能 處 於 較 劇 烈 12% 氧 氣 濃 度 ( 高 度 約 4500 公 尺 ), 和 較 緩 和 的 15% 氧 氣 濃 度 ( 高 度 約 3000 公 尺 ) 的 低 氧 介 入,12% 的 氧 氣 濃 度 對 血 管 功 能 上 可 能 會 有 所 損 害 (Wang et al. 2007), 因 此 若 要 選 定 一 個 合 宜 的 低 氧 範 圍 作 為 介 入, 15% 氧 氣 濃 度 是 一 個 適 當 而 安 全 而 有 效 的 處 方 因 此 要 能 達 到 有 氧 能 力 的 提 升 與 肌 力 的 維 持 最 好 的 方 法 就 是 在 低 氧 下 進 行 運 動, 故 先 前 實 驗 室 針 對 不 同 劑 量 的 低 氧 結 合 不 同 劑 量 的 運 動 處 方 欲 找 出 最 適 合 的 訓 練 組 合 ( 圖 一 ), 研 究 發 現 在 15% 氧 氣 濃 度 中 進 行 60% 最 大 運 動 負 荷 強 度 的 中 度 運 動 與 常 氧 進 行 中 度 運 動 相 較 下 雖 然 心 跳 會 有 些 許 提 升, 但 運 動 中 血 壓 較 低 且 兩 者 的 心 臟 作 功 率 相 似 能 夠 對 於 心 臟 的 負 荷 較 小, 並 且 相 較 於 其 他 的 15% 氧 濃 度 下 進 行 劇 烈 運 動 單 純 15% 氧 氣 濃 度 介 入 單 純 較 劇 烈 低 氧 12% 氧 濃 度 介 入 顯 示 15% 氧 氣 濃 度 環 境 結 合 60% 最 大 作 功 強 度 對 於 受 試 者 來 說 是 最 安 全 有 合 宜 的 訓 練 模 式, 因 此 延 續 先 前 所 作 的 研 究 我 們 希 望 找 出 在 15% 氧 氣 濃 度 的 低 氧 下 中 度 運 動 的 定 義 是 如 何? 根 據 美 國 運 動 醫 學 會 (American College of Sport Medicine, ACSM) 的 定 義 40% 60% 與 80% 最 大 攝 氧 量 的 運 動 強 度 分 別 為 輕 11

12 (mild) 中 (moderate) 重 度 (strenuous) 運 動 每 週 至 少 運 動 3~5 次 ( 運 動 頻 率 的 要 求 ), 每 次 心 跳 率 達 最 大 心 跳 率 的 60~90%, 且 每 次 持 續 20~60 分 鐘 ( 持 久 度 與 強 度 的 要 求 ), 選 擇 大 肌 群 的 運 動 項 目, 持 久 而 有 節 奏 的 有 氧 運 動 (ACSM, 2000), 不 僅 使 心 肺 適 能 得 到 促 進 加 強 組 織 有 氧 代 謝 的 能 力, 同 時 大 肌 肉 群 持 續 地 進 行 有 韻 律 節 奏 的 運 動 更 能 維 持 肌 肉 力 量 和 耐 力, 然 而 由 常 氧 進 入 低 氧 下 時 心 跳 會 因 此 上 升 所 以 欲 在 低 氧 下 進 行 中 度 運 動 應 當 以 常 氧 下 的 60% 最 大 作 功 量 的 絕 對 作 功 量 為 主 還 是 相 對 於 常 氧 下 60% 心 跳 儲 備 率 為 主 呢? 便 是 本 實 驗 所 要 探 究 的 若 將 能 提 升 有 氧 適 能 卻 使 肌 力 受 限 制 的 低 氧 環 境 與 強 化 肌 力 但 需 要 氧 氣 進 行 有 氧 代 謝 的 中 度 運 動 合 併 起 來, 是 否 會 造 成 加 乘 反 應 使 低 氧 介 入 與 運 動 訓 練 的 有 氧 適 能 效 益 有 更 顯 著 的 效 果 並 解 除 低 氧 對 於 肌 力 上 的 限 制 維 持 運 動 表 現? 再 者 能 否 透 過 長 期 的 低 氧 結 合 運 動 訓 練 改 變 生 理 對 於 氧 氣 的 運 動 與 利 用 的 途 徑, 使 身 體 面 對 急 性 低 氧 環 境 能 有 更 好 的 抵 禦 能 力, 及 降 低 低 氧 對 於 血 管 功 能 的 傷 害, 進 而 達 到 身 體 健 康 的 目 標 是 我 們 所 要 追 求 的 目 的 當 身 體 開 始 運 動 後 局 部 組 織 需 要 氧 氣 進 行 代 謝 產 生 能 力, 以 提 供 作 功 肌 群 能 量, 環 境 中 的 氧 氣 傳 輸 是 透 過 呼 吸 系 統 進 入 體 內 再 經 12

13 肺 泡 微 血 管 氣 體 交 換, 氧 氣 與 紅 血 球 上 的 血 紅 素 結 合 並 經 由 心 血 管 循 環 系 統 將 這 些 氧 氣 傳 遞 到 目 標 組 織 中 加 以 利 用 完 成 氧 氣 的 傳 送, 儘 管 氧 氣 有 良 好 的 傳 輸 功 能 但 最 重 要 的 一 環 在 於 組 織 有 沒 有 良 好 的 擷 取 和 利 用 氧 氣 的 能 力, 才 能 真 正 完 成 氧 氣 的 傳 輸 讓 生 理 機 制 能 順 利 運 動 然 而 如 何 得 知 組 織 對 氧 氣 的 利 用 程 度 如 何? 也 是 此 研 究 的 重 點 並 且 希 望 了 解 環 境 因 子 改 變 氧 氣 的 傳 輸 與 利 用 在 面 對 不 同 的 壓 力 時 會 產 生 何 種 適 應 性 有 鑑 於 過 去 的 文 獻 對 於 一 般 坐 式 生 活 的 人 進 行 長 期 低 氧 並 結 合 運 動 訓 練 在 身 體 系 統 性 的 氧 氣 傳 輸 與 利 用 的 研 究 迄 今 尚 無 先 關 的 討 論, 故 本 實 驗 就 是 利 用 不 同 的 運 動 強 度 結 合 較 緩 和 的 低 氧 (15% 氧 氣 濃 度 ) 介 入, 進 行 為 期 一 個 月 的 低 氧 運 動 訓 練 來 探 討 其 對 心 肺 適 能 與 骨 骼 肌 肉 在 氧 氣 的 傳 輸 與 利 用 上 的 影 響 與 適 應 性, 並 研 究 呼 吸 循 環 代 謝 等 生 理 上 對 氧 氣 的 需 求 與 應 用 其 中 作 用 之 機 制 為 何? 第 二 節 研 究 假 設 假 設 不 同 的 運 動 強 度 結 合 低 氧 介 入 進 行 為 期 一 個 月 的 低 氧 運 動 訓 練, 會 透 過 改 變 骨 骼 肌 肉 對 於 氧 氣 的 傳 輸 與 利 用 來 改 善 心 肺 適 能 維 持 肌 力 以 強 化 運 動 表 現 並 增 強 對 於 低 氧 的 抵 禦 能 力 13

14 預 設 的 運 動 合 併 低 氧 劑 量 包 含 : 1. 低 氧 下 的 絕 對 作 功 中 度 運 動 (15% 氧 氣 濃 度 下, 進 行 60% 最 大 攝 氧 量 運 動 ) 2. 低 氧 下 的 相 對 作 功 量 中 度 運 動 (15% 氧 氣 濃 度 下, 進 行 60% 心 跳 儲 備 率 的 運 動 ) 預 設 的 單 純 低 氧 劑 量 與 單 純 運 動 劑 量 包 含 : 1. 15% 氧 氣 濃 度 的 低 氧 環 境 2. 常 氧 下 60% 最 大 作 功 負 荷 運 動 預 設 的 低 氧 耐 受 度 劑 量 包 含 : 1. 靜 態 急 性 劇 烈 低 氧 刺 激 反 應 ( 安 靜 橫 躺 於 21% 氧 氣 濃 度 及 12% 氧 氣 濃 度, 測 量 血 管 功 能 與 組 織 氧 代 謝 能 力 ) 2. 動 態 急 性 劇 烈 低 氧 刺 激 反 應 ( 在 21% 及 12% 氧 氣 濃 度 下 進 行 60% 最 大 攝 氧 量 運 動, 測 量 組 織 氧 氣 代 謝 與 心 輸 出 功 能 ;15% 氧 14

15 氣 濃 度 下 進 行 絕 對 作 功 與 相 對 作 功 的 一 次 訓 練 從 事 的 相 同 負 荷 運 動 ) 本 實 驗 期 望 能 尋 找 出 合 適 的 長 期 低 氧 運 動 訓 練 劑 量, 有 效 利 用 低 氧 運 動 訓 練 來 提 升 有 氧 與 無 氧 的 能 力 並 強 化 身 體 對 低 氧 的 耐 受 度 並 抵 抗 外 來 的 壓 力 與 病 菌 藉 此 尋 求 一 個 安 全 而 有 效 的 低 氧 運 動 治 療 策 略 第 三 節 研 究 範 圍 與 限 制 本 研 究 中 的 受 試 者 是 以 出 生 及 成 長 且 長 年 生 活 於 低 海 拔 的 非 選 手, 其 日 常 運 動 量 為 中 等 強 度 的 年 輕 健 康 男 生, 因 為 不 是 優 秀 運 動 選 手, 也 不 是 呼 吸 阻 礙 病 症 相 關 病 患 所 以 結 果 無 論 推 論 到 優 秀 選 手 抑 或 呼 吸 阻 礙 相 關 病 症 之 病 患 必 須 謹 慎 本 研 究 是 摸 擬 3000 及 4500 公 尺 之 氧 壓, 提 供 受 試 者 15% 及 12% 的 氧, 壓 力 為 752mmHg 的 常 壓 低 氧, 其 他 的 低 氧 環 境 不 在 研 究 之 範 圍 第 四 節 名 詞 解 釋 與 操 作 行 定 義 一 間 歇 性 低 氧 (intermittent hypoxia): 本 研 究 是 以 一 天 一 個 小 時, 每 週 五 日, 總 共 為 期 八 週 的 低 氧 15

16 二 急 性 缺 氧 (acute hypoxia): 暴 露 於 缺 氧 的 環 境, 未 立 即 適 應 的 高 地 滯 留 三 運 動 表 現 (exercise performance) 本 研 究 是 指 在 腳 踏 車 測 功 計 所 測 得 之 : ( 一 ) 持 續 時 間 (exercise time) ( 二 ) 最 大 攝 氧 量 (VO 2Max ) ( 三 ) 最 大 每 分 鐘 換 氣 量 (VE/min) ( 四 ) 無 氧 閥 值 (aerobic threshold) ( 五 ) 作 功 量 (work load) 四 血 液 動 力 控 制 (hemodynamic control): 本 研 究 中 是 指 動 脈 及 靜 脈 功 能 五 動 脈 功 能 (arterial function) 本 研 究 是 指 動 脈 反 應 性 充 血 量 (hyperemic inflow), 指 在 測 量 的 區 段 有 多 少 的 動 脈 血 流 流 入 單 位 :ml blood / 100 ml tissue= % 六 靜 脈 功 能 (venous function) 本 研 究 指 靜 脈 功 能 可 分 為 四 部 分 : 16

17 ( 一 ) 靜 脈 血 流 量 (venous outflow): 當 靜 脈 閉 塞 打 開 的 前 2 秒 內, 血 液 體 積 改 變 的 速 度 單 位 : ml blood /100ml tissue/min=%min ( 二 ) 靜 脈 可 容 性 (venous capacity): 在 靜 脈 閉 塞 時 被 測 量 肢 段 的 血 液 體 積 量 單 位 :ml blood /100ml tissue=% ( 三 ) 靜 脈 血 流 阻 力 (venous flow resistance): 於 測 量 區 段 的 靜 脈 血 流 的 阻 力 單 位 :mmhg/%/min 17

18 第 二 章 文 獻 回 顧 (Literature Review) 第 一 節 低 氧 的 分 類 低 氧 定 義 可 謂 組 織 階 層 缺 乏 足 夠 的 氧 氣 供 應 造 成 低 氧 的 原 因 有 很 多, 不 過 大 致 可 以 分 為 以 下 四 類 : 1. 低 氧 性 低 氧 (hypoxic hypoxia): 此 謂 大 氣 進 入 體 循 環 中 的 氧 氣 減 少, 造 成 動 脈 血 氧 濃 度 下 降 2. 貧 血 性 低 氧 (anemic hypoxia): 動 脈 血 氧 分 壓 正 常, 不 過 因 血 液 中 紅 血 球 過 少 血 紅 素 不 正 常 或 缺 乏 以 及 因 一 氧 化 碳 (CO) 與 血 紅 素 競 爭 結 合, 而 造 成 血 液 中 的 氧 氣 含 量 不 足 以 供 應 身 體 需 求 3. 缺 血 性 低 氧 : 也 叫 做 血 液 灌 流 量 降 低 的 缺 氧, 因 為 血 流 過 低, 以 至 於 無 法 供 給 組 織 足 夠 氧 氣 4. 中 毒 性 低 氧 : 血 液 中 氧 氣 的 質 與 量 皆 為 正 常, 不 過 卻 因 為 毒 性 物 質 的 關 係, 使 得 細 胞 無 法 利 用 氧 氣 例 如 : 氰 化 物, 妨 礙 細 胞 的 代 謝 系 統 (Vander, 2006) 造 成 低 氧 性 低 氧 的 原 因 可 以 分 為 兩 類 : 疾 病 ( 如, 慢 性 阻 塞 型 肺 疾 病 ) 與 外 在 環 境 ( 如, 高 山 ) 本 實 驗 所 使 用 的 低 氧 介 入 是 指 18

19 改 變 外 界 氧 含 量 環 境 之 低 氧 性 低 氧 介 入, 藉 由 受 測 者 身 處 低 氧 環 境 觀 察 人 體 生 理 反 應 的 改 變 第 二 節 低 氧 生 理 反 應 在 低 氧 環 境 下, 因 為 外 界 氧 氣 供 給 不 足, 造 成 吸 入 氣 體 氧 分 壓 (PIO 2 ) 不 足, 連 帶 肺 泡 的 氧 分 壓 (PAO 2 ) 下 降, 而 人 體 血 氧 濃 度 (SaO 2 ) 也 因 而 下 降, 而 人 體 對 於 低 氧 的 生 理 反 應 會 隨 著 所 在 的 海 拔 高 度 不 同 而 有 所 變 化 ( 圖 一 ) 低 氧 換 氣 反 應 (Hypoxic ventilation response) 當 處 於 低 氧 環 境 時, 最 重 要 的 生 理 變 化 便 是 低 氧 換 氣 反 應, 這 個 機 制 最 主 要 是 吸 入 之 氧 分 壓 減 少 (PiO2), 使 得 動 脈 中 的 氧 壓 隨 之 減 少 (PaO2), 因 而 刺 激 週 邊 化 學 接 受 器 包 括 頸 動 脈 體 (Carotic body) 和 主 動 脈 體 (Aortic body), 將 神 經 衝 動 傳 至 延 腦 的 呼 吸 中 樞, 調 節 吸 氣 的 動 作 以 增 加 肺 泡 的 通 氣 量, 讓 動 脈 氧 分 壓 得 以 上 升, 以 作 為 第 一 線 的 對 抗 低 氧 的 生 理 反 應 使 得 換 氣 量 增 加 引 起 過 度 換 氣 反 應 處 於 氧 氣 濃 度 低 的 環 境 一 段 時 間 後 刺 激 會 使 換 氣 量 明 顯 增 加 (Garcia et al.,2000;katayama et al.,2001;townsend et al.,2002), 而 低 氧 換 氣 反 應 程 度 與 急 性 高 山 症 也 有 相 關 性, 旺 盛 的 低 氧 換 氣 反 應 是 藉 由 換 氣 的 增 加 以 減 低 低 氧 的 程 度, 對 於 抵 抗 快 速 變 遷 的 氧 氣 濃 度 所 19

20 產 生 的 急 性 高 山 症 似 乎 可 達 到 保 護 的 效 果 (Richalet et al.,1988), 雖 然 其 機 制 與 相 關 性 目 前 還 沒 有 明 確 的 發 現, 但 可 確 定 的 是 低 氧 換 氣 反 應 與 高 山 肺 水 腫 之 間 的 關 係 是 清 楚 的, 具 高 山 肺 水 腫 者 其 低 氧 換 氣 反 應 也 較 低 (Bandopadhyay and Selvamurthy et al.,2003), 好 的 低 氧 適 應 會 有 較 旺 盛 的 低 氧 換 氣 反 應, 當 在 低 氧 環 境 下 從 事 耗 費 體 能 的 運 動 時 能 有 較 好 的 適 應 性 (Schoene et al.,1984;martin et al.,1978), 因 為 低 氧 換 氣 反 應 較 為 弱 者 不 僅 休 息 時 會 有 較 多 的 缺 氧, 在 運 動 中 缺 氧 的 影 響 更 大 低 氧 換 氣 反 應 是 面 對 環 境 中 氧 氣 濃 度 降 低 的 結 果, 若 進 行 低 氧 下 的 運 動 增 大 體 內 對 於 氧 氣 的 需 求 量, 並 持 續 一 段 時 間 的 低 氧 運 動 訓 練 是 否 會 使 身 體 的 換 氣 反 應 有 不 同 的 適 應 效 果 改 變 身 體 對 於 氧 氣 的 傳 輸 而 產 生 對 於 低 氧 環 境 生 理 有 更 強 大 的 抵 禦 能 力 呢? 這 就 是 本 實 驗 欲 探 討 與 研 究 的 目 標 之 一 肺 部 氣 體 交 換 (Pulmonary gas exchange) 肺 部 氣 體 交 換 是 仰 賴 氣 體 由 肺 泡 穿 出 的 擴 散 作 用 和 離 開 肺 泡 到 紅 血 球 上 的 灌 流 作 用, 來 使 氧 氣 順 利 傳 輸 到 血 液 中 再 經 由 循 環 系 統 把 氧 氣 傳 輸 到 需 要 的 組 織 處 肺 泡 到 在 低 氧 的 環 境 中 有 很 大 的 改 變, 最 明 顯 的 就 是 周 邊 接 受 氣 對 低 氧 刺 激 所 產 生 的 過 度 換 氣 反 應 過 度 換 氣 會 降 低 肺 泡 中 二 氧 化 碳 分 壓, 幫 助 維 持 因 吸 入 低 氧 所 導 致 20

21 肺 泡 氧 氣 不 足 的 狀 況 無 論 在 劇 烈 低 氧 下 休 息 或 是 從 事 運 動, 氧 氣 的 擴 散 都 會 受 到 阻 礙 因 此 也 會 使 正 常 人 的 氧 氣 運 輸 受 到 限 制, 此 時 如 果 血 紅 素 的 氧 氣 親 和 力 提 高, 將 可 以 促 進 擴 散 限 制 環 境 下 肺 部 微 血 管 的 氧 合 能 力, 能 增 加 氧 氣 通 過 血 管 障 壁 的 能 力 也 就 是 擴 散 的 能 力 (Bencowitz et al.,1982); 另 外 因 為 換 氣 量 的 增 加, 使 得 血 液 中 的 二 氧 化 碳 濃 度 下 降, 造 成 血 液 中 的 PH 值 增 加, 因 而 導 致 呼 吸 性 鹼 中 毒, 由 於 血 液 PH 值 增 加, 使 得 血 氧 飽 合 曲 線 向 左 移, 有 利 於 大 氣 氧 分 壓 下 降 時 氧 和 紅 血 球 的 結 合, 得 以 緩 解 在 低 氧 下 嚴 重 呼 吸 性 鹼 中 毒 的 現 象 對 於 低 氧 的 耐 受 力 會 更 好 (Eaton et al.,1974) 肺 部 氣 體 的 交 換 不 僅 僅 涉 及 肺 功 能 在 低 氧 環 境 下 肺 部 塑 型 的 改 變 也 會 與 血 液 攜 帶 氧 氣 的 能 力 有 關, 故 本 實 驗 也 希 望 藉 由 為 期 一 個 月 的 低 氧 運 動 訓 練 介 入, 來 觀 察 體 內 是 否 會 受 到 此 介 入 的 影 響 改 變 生 理 上 氧 氣 與 血 紅 素 的 親 和 力 作 用, 肺 功 能 上 有 什 麼 樣 的 轉 變 及 經 過 訓 練 後 會 有 什 麼 樣 的 適 應 性 血 液 氣 體 運 輸 與 酸 鹼 平 衡 (Blood-gas transport and acid-base balance) 在 低 氧 環 境 下 適 應 血 液 生 理 的 改 變 相 當 重 要, 血 紅 素 的 氧 氣 親 和 力 能 改 變 高 的 環 境 的 氧 氣 解 離 曲 線, 進 而 藉 由 血 液 影 響 氧 氣 的 運 21

22 輸, 人 類 全 血 中 氧 氣 的 解 離 曲 線 有 四 個 因 子 讓 曲 線 向 右 移, 進 而 降 低 血 紅 素 與 氧 氣 的 親 和 力, 依 序 是 二 氧 化 碳 分 壓 氫 離 子 溫 度 及 紅 血 球 內 的 2-3DPG(West et al.,1995), 這 些 離 子 濃 度 的 增 加 將 降 低 氧 氣 心 和 力 ; 通 常 體 內 的 二 氧 化 碳 要 經 由 血 液 運 輸 排 除 有 三 條 路 徑 ( 一 ) 物 理 性 溶 解 :7% 會 直 接 溶 解 於 血 漿 中 被 運 輸 ;( 二 ) 化 學 結 合 :23% 藉 由 血 漿 蛋 白 和 血 紅 素 蛋 白 來 運 輸 CO2+Hb HbCO2 ( 三 )HCO3- 的 型 式 :70% 的 CO2 主 要 都 是 經 由 此 途 徑 與 水 結 合 成 H2CO3 H++HCO3- 幾 乎 所 有 藉 二 氧 化 碳 分 壓 改 變 親 和 力 的 因 子 都 可 歸 因 於 氫 離 子 濃 度 的 改 變 碳 酸 (H 2 CO 3 ) 的 方 式 存 在 體 內 由 於 低 氧 環 境 下 引 起 過 度 換 氣, 會 造 成 人 體 內 的 二 氧 化 碳 濃 度 下 降 當 體 內 的 二 氧 化 碳 在 低 氧 的 環 境 中 不 斷 的 被 排 出, 就 會 造 成 生 理 酸 鹼 狀 態 異 常 的 狀 況 當 過 度 換 氣 造 成 二 氧 化 碳 減 少 時, 因 為 碳 酸 的 減 少 會 造 成 ph 值 上 升, 使 得 體 液 變 成 更 偏 鹼 性 為 了 要 控 制 此 種 呼 吸 性 鹼 中 毒 緩 慢 的 上 昇, 此 時 腎 臟 會 藉 由 腎 小 管 分 泌 鹼 基 (HCO - 3 ), 藉 此 保 全 體 內 的 正 常 ph 值 以 增 加 呼 吸 中 樞 的 反 應 性, 也 因 此 可 以 讓 我 們 可 以 在 低 氧 環 境 下 進 行 更 大 的 過 度 換 氣, 氧 氣 親 和 力 與 血 紅 素 會 有 這 樣 的 改 變 對 於 處 於 低 氧 環 境 下 的 適 應 有 利 的 (Samaja et al.,2003) 22

23 血 液 學 (Hematology) 血 漿 體 積 (Plasma volume) 在 低 氧 的 環 境 下, 會 導 致 血 漿 體 積 減 少, 繼 而 增 加 紅 血 球 於 血 液 中 的 密 度 (Singh et al.,1990;wolfel et al.,1991;poulson et al.,1998) 此 一 在 低 氧 適 應 的 現 象, 可 能 藉 由 低 氧 刺 激 頸 動 脈 體 而 引 起 腎 臟 經 由 神 經 途 徑 進 行 鈉 的 在 吸 收, 促 進 排 尿 而 把 體 液 自 血 漿 中 排 出 有 關, 藉 此 減 少 全 身 性 水 分 含 量 (Laragh 1985) 紅 血 球 與 血 紅 素 (Red cell and Hemoglobin) 在 低 氧 的 環 境 下, 動 脈 氧 分 壓 下 降 會 刺 激 紅 血 球 的 數 目 上 升, 這 種 狀 況 稱 之 為 紅 血 球 增 多 (polycythemia) 紅 血 球 會 增 加 主 要 是 受 到 紅 血 球 生 成 素 的 影 響 所 致 紅 血 球 生 成 素 (erythropoietin) 是 一 種 刺 激 紅 血 球 的 荷 爾 蒙 (Wang et al.,1995;semenza et al.,2004), 主 要 在 腎 臟 中 合 成 與 釋 放, 對 於 局 部 的 動 脈 低 氧 會 有 反 應, 當 受 到 低 氧 的 刺 激 下 2 小 時 內 紅 血 球 生 成 素 的 濃 度 會 開 始 上 升 (Eckardt et al.,1989), 並 在 小 時 候 達 到 最 大 值 之 後 就 開 始 下 降 約 經 三 周 後 回 到 接 近 原 本 數 值 (Milledge and Cotes,1985) 但 紅 血 球 的 生 成 會 比 較 緩 慢 並 且 會 持 續 增 加 很 長 一 段 時 間 紅 血 球 增 加 可 以 增 加 血 液 供 給 身 體 的 能 力, 雖 然 在 低 氧 狀 態 的 血 紅 素 血 氧 濃 度 降 低, 不 過 23

24 藉 由 這 種 紅 血 球 數 目 的 提 升, 可 以 讓 動 脈 中 的 氧 氣 含 量 接 近 甚 至 與 身 處 平 地 時 的 數 值 相 同 除 了 心 血 管 系 統 的 彼 此 調 控 全 身 的 血 流 外 最 重 要 的 莫 過 於 最 根 本 攜 帶 氧 氣 的 紅 血 球, 紅 血 球 是 一 個 橢 圓 形 的 細 胞 中 間 呈 凹 陷 狀, 沒 有 粒 線 體 也 沒 有 核, 也 因 為 這 樣 他 本 身 不 會 消 耗 氧 氣, 約 有 33% 是 血 紅 素, 紅 血 球 最 主 要 的 功 能 就 是 從 肺 部 進 行 氣 體 交 換 攜 帶 氧 氣 到 全 身 組 織, 並 把 多 餘 的 CO2 帶 回 肺 部 排 出, 血 紅 素 是 一 個 globin 加 上 四 個 heme, 每 個 heme 有 一 個 鐵 離 子 一 個 鐵 離 子 攜 帶 一 個 氧 分 子, 所 以 血 液 中 真 正 攜 帶 氧 氣 的 應 該 是 血 紅 素 才 是 根 本 單 位, 所 以 血 紅 素 對 於 氧 氣 的 親 和 力 高 低 也 會 決 定 氧 氣 的 利 用 效 益 心 血 管 循 環 系 統 (Cardiovascular system) 心 血 管 循 環 系 統 對 於 從 肺 進 行 氣 體 交 換 至 血 液 中 的 氧 氣 在 人 體 的 傳 輸 有 重 要 的 連 結, 並 且 在 高 的 環 境 的 適 應 上 扮 演 相 當 重 要 的 角 色 心 輸 出 量 當 環 境 中 氧 分 壓 突 然 下 降, 將 使 週 邊 化 學 接 受 器 受 到 刺 激 而 交 感 神 經 興 奮, 會 增 加 心 跳 來 增 加 心 輸 出 量 以 提 高 氧 氣 的 傳 送 (Asmussen and Consolazio et al.,1941;keys et al.,1943;honig and Tenney et al.,1957; 24

25 Vogel and Harris et al.,1967) 但 在 經 過 一 段 時 間 的 適 應 後, 心 輸 出 量 則 回 復 到 海 平 面 的 程 度 (Wolfel et al.,1994) 心 跳 率 心 跳 率 暴 露 於 急 性 低 氧 下 如 同 心 輸 出 量 都 有 上 升 的 情 形 (Kontos et al.1967;vogel and Harris et al.,1967) 在 次 大 運 動 時 的 心 跳 率 與 心 輸 出 量 會 比 在 平 地 時 高, 然 而 在 最 大 運 動 時 之 心 輸 出 量 則 是 維 持 不 變 或 略 低 在 低 氧 下 次 大 運 動 下 所 大 量 增 加 的 血 流 是 為 了 要 代 償 動 脈 的 血 氧 濃 度 不 足 且 心 跳 率 最 低 點 與 動 脈 血 氧 飽 和 濃 度 最 低 點 相 符 (Rotta et al.,1956;penaloza et al., 1963), 此 外 過 去 的 研 究 顯 示 隨 著 氧 氣 含 量 越 低 最 大 心 跳 率 也 會 隨 著 下 降 (Lundby et al.2001) 心 擊 出 量 (Stroke volume) 而 在 運 動 時 急 性 低 氧 下 心 擊 出 量 (stroke volume) 增 加 (Vogel and Harris et al.,1967), 經 過 數 周 的 低 氧 適 應 後, 心 輸 出 量 會 降 至 與 常 氧 下 程 度 相 似, 但 心 跳 率 會 持 續 上 升 則 顯 示 心 輸 出 量 會 下 降, 然 而 心 擊 出 量 的 下 降 並 不 是 由 於 劇 烈 低 氧 使 心 臟 收 縮 力 降 低 所 造 成 (Reeves et al.,1987) 其 因 素 或 許 與 血 漿 體 積 (Plasma volume) 的 降 低 有 關 系 統 性 血 壓 (Systemic blood pressure) 低 氧 會 刺 激 交 感 神 的 興 奮, 使 得 血 管 調 節 產 生 變 化 導 致 系 統 性 血 壓 上 升 (Welfel et al.,1994), 例 如 : 骨 骼 肌 心 臟 和 大 腦 的 血 管 擴 張, 使 25

26 血 流 量 增 加 ; 皮 膚 的 血 管 收 縮 使 得 血 流 量 減 少 其 目 的 在 於 血 管 量 的 重 新 分 配 來 維 持 重 要 器 管 的 血 液 供 應 另 一 現 象 為 脫 水 (dehydration) 由 於 高 地 空 氣 較 乾 燥, 使 得 每 次 吸 入 較 乾 燥 的 空 氣 而 吐 出 較 溼 潤 的 空 氣, 因 此 造 成 水 分 流 失 Heinicke 2003 則 是 認 為 中 樞 靜 脈 壓 力 (central venous pressure) 的 改 變 造 成 液 體 從 血 管 床 滲 出, 形 成 脫 水 的 現 象 水 分 減 少 會 使 血 漿 量 減 少, 血 球 容 積 比 增 加, 血 液 黏 滯 性 增 加, 會 對 循 環 系 統 形 成 壓 力, 有 礙 於 循 環 系 統 的 運 行 當 一 個 人 在 海 平 面 進 行 50% 最 大 攝 氧 量 之 中 度 運 動, 一 旦 到 了 海 拔 約 4300 公 尺 的 高 地 運 動 時, 於 阻 力 相 同 的 程 度 下, 可 能 增 加 到 70% 的 最 大 攝 氧 量 才 能 執 行 心 血 管 循 環 系 統 在 全 身 氧 氣 運 輸 上 扮 演 著 相 當 重 要 的 角 色, 而 這 個 循 環 系 統 對 於 長 期 低 氧 運 動 訓 練 的 介 入, 能 夠 有 什 麼 樣 的 適 應 性 是 本 實 驗 所 要 研 究 的 重 點, 心 輸 出 量 在 傳 統 上 在 低 氧 與 常 氧 下 不 會 有 過 於 顯 著 的 改 變, 是 否 會 因 實 驗 的 介 入 面 對 較 為 劇 烈 的 低 氧 下 從 事 相 同 的 做 功 量 時 會 使 其 增 加 或 減 少? 再 者 心 跳 率 是 否 能 夠 因 這 樣 的 訓 練 對 於 低 氧 有 較 好 的 耐 受 性 讓 心 跳 率 下 降 使 心 臟 不 需 要 做 太 多 的 功? 而 心 搏 擊 出 量 原 本 受 到 低 氧 的 限 制, 是 否 會 因 為 訓 練 而 增 加 並 維 持 一 定 水 平 的 擊 出 量, 以 增 加 心 輸 出 量 或 降 低 心 跳 率 來 維 持 心 輸 出 量 的 穩 26

27 定 呢? 最 後 還 要 再 觀 察 系 統 性 血 壓 會 因 此 介 入 做 何 改 變, 來 確 認 生 理 對 於 長 期 低 氧 運 動 的 介 入 會 在 循 環 系 統 上 做 何 種 調 節 與 重 塑 兒 茶 氛 胺 的 反 應 (Catecholamine Response) 當 暴 露 在 低 氧 環 境 下, 不 論 是 在 休 息 或 運 動, 體 內 正 腎 上 腺 素 (norepinephrine) 的 活 動 會 隨 著 時 間 漸 漸 的 增 加 在 此 環 境 下, 血 壓 與 心 跳 會 與 血 漿 中 正 腎 上 腺 素 的 分 泌 率 皆 穩 定 的 上 昇, 並 有 著 一 致 性 ; 正 腎 上 腺 素 的 分 泌 會 有 著 明 顯 的 改 變, 而 腎 上 腺 素 則 是 些 許 的 浮 動 變 化 急 性 低 氧 對 於 化 學 感 受 器 之 影 響 中 樞 及 周 邊 化 學 感 受 器 可 以 偵 測 血 液 中 氧 氣 二 氧 化 碳 濃 度 以 及 酸 鹼 值 改 變, 再 作 呼 吸 的 調 控, 而 兩 者 化 學 感 受 器 間 也 有 複 雜 的 交 互 調 控 關 係 周 邊 化 學 感 受 器 位 於 頸 動 脈 和 主 動 脈 體 (carotid and aortic bodies), 頸 動 脈 和 主 動 脈 體 結 構 是 第 一 型 球 狀 細 胞 (glomus cell), 在 低 氧 下 會 釋 放 神 經 傳 導 物 質 去 極 化 神 經 傳 入 纖 維 末 稍, 再 透 過 第 九 和 第 十 對 腦 神 經 傳 遞 訊 息 到 延 腦 中 樞, 其 中 也 包 含 了 孤 立 束 核 (nucleus tractus solitarii), 在 急 性 低 氧 下 會 產 生 過 度 換 氣 和 血 壓 上 升 的 現 象 除 了 低 血 氧 外, 周 邊 化 學 感 受 器 對 於 二 氧 化 碳 濃 度 和 酸 鹼 值 的 呼 吸 調 控 並 不 是 很 敏 感 然 而, 中 樞 化 學 感 受 器 位 於 延 27

28 腦 腹 部 外 側 吻 端, 對 於 二 氧 化 碳 濃 度 及 酸 鹼 值 的 變 化 比 較 敏 感 因 此, 藉 由 呼 吸 和 循 環 系 統 的 調 控, 可 以 使 二 氧 化 碳 濃 度 和 血 液 酸 鹼 值 維 持 恆 定 組 織 對 氧 的 利 用 與 擷 取 有 良 好 的 氧 氣 運 輸 外 還 需 要 有 好 的 組 織 對 氧 氣 的 萃 取 能 力, 才 能 真 正 完 成 氧 氣 傳 輸 與 利 用 的 途 徑, 過 去 礙 於 技 術 上 不 易 突 破 無 法 準 確 得 組 之 利 用 氧 的 能 力 多 著 重 在 氧 氣 的 傳 輸 途 徑 上 的 研 究, 本 研 究 將 利 用 近 紅 外 線 光 譜 分 析 儀 非 侵 入 式 且 能 即 時 偵 測 的 特 性 來 觀 察 作 功 肌 群 氧 氣 的 利 用 程 度 ; 過 去 有 實 驗 觀 察 氧 氣 濃 度 的 改 變 對 進 行 運 動 表 現 時 作 功 肌 群 的 耗 氧 呈 度 與 肺 部 攝 氧 量 的 關 係, 顯 示 短 暫 的 氧 濃 度 改 變 對 肺 部 攝 氧 量 沒 有 顯 著 的 影 響, 但 組 織 的 氧 攝 取 則 是 低 氧 較 常 氧 時 來 的 低, 而 血 流 量 則 是 低 氧 較 常 氧 來 的 高 (Bruno Grassi et al.,2004), 因 此 氧 氣 濃 度 是 改 變 局 部 組 織 氧 萃 取 即 血 管 功 能 調 節 的 影 響 因 子, 更 有 研 究 指 出 從 事 漸 進 式 運 動 時 局 部 組 織 含 氧 與 去 氧 血 紅 素 在 運 動 過 程 中 的 轉 變 量 即 局 部 血 流 可 用 來 指 出 達 到 乳 酸 閾 值 的 點 及 換 氣 閾 值 (BRUNO GRASSI et al., 1999; 2003), 這 表 示 局 部 組 織 對 於 氧 氣 的 利 用 效 益 與 常 氧 低 氧 下 的 反 應 都 是 決 定 運 動 表 現 的 關 鍵 因 素, 另 外 也 有 學 者 探 究 限 制 最 大 運 動 表 現 的 原 因 28

29 是 來 自 中 樞 大 腦 或 是 作 功 肌 群 的 疲 乏, 並 比 較 常 氧 與 低 氧 的 改 變 因 此 去 比 較 中 樞 與 周 邊 作 功 肌 群 對 氧 氣 的 利 用 率, 發 現 低 氧 下 最 大 運 動 表 現 持 續 的 時 間 皆 比 常 氧 差, 在 低 氧 下 含 氧 的 血 紅 素 量 也 較 常 氧 下 的 還 少, 氧 氣 與 腦 部 與 局 部 肌 肉 氧 攝 取 的 能 力 中 扮 演 重 要 角 色 近 紅 外 線 光 譜 分 析 儀 Near Infrared Spectroscopy (NIRS) 近 紅 外 線 光 譜 分 析 儀 是 一 套 非 侵 入 式 可 即 時 觀 測 局 部 組 織 氧 化 作 用 的 系 統, 利 用 近 紅 外 光 可 以 反 射 散 佈 接 收 的 特 點 去 觀 察 組 織 內 部 含 氧 與 去 氧 的 Hemoglobin, 當 Hemogolbin 釋 放 出 氧 分 子 後, 氫 離 子 會 結 合 上 來, 所 以 稱 含 氧 的 Hemoglobin 稱 做 O2Hb 去 氧 的 Hemoglobin 稱 為 HHb 其 紅 外 光 的 波 長 可 以 從 700 到 1300nm, 而 經 由 研 究 發 現 使 用 770,848, 與 901nm 這 三 個 頻 率 用 來 測 量 人 體 的 局 部 組 織 是 最 有 效 的, 而 這 套 系 統 也 可 以 藉 由 測 量 出 含 氧 與 去 氧 Hemoglobin 的 比 值 得 到 其 局 部 的 血 流 分 部 與 耗 氧 量, 並 可 以 換 算 為 局 部 單 位 組 織 的 血 管 功 能 一 般 NIRS 用 在 測 量 肌 肉 的 耗 氧 程 度 與 血 流 的 改 變 量 時, 會 把 動 靜 脈 關 閉 去 看 暫 時 性 的 局 部 充 血 他 的 組 織 消 耗 能 量 的 反 應,2005 年 C. J. de Ruiter 等 學 者 便 使 用 近 紅 外 線 光 譜 分 析 儀 Near Infrared 29

30 Spectroscopy 系 統 來 觀 察 在 30 度 60 度 90 度 等 三 種 不 同 膝 關 節 角 度 下 做 功 耗 氧 的 情 況,( 圖 八 ) 將 受 測 者 的 動 靜 脈 關 閉, 做 isometric 的 運 動 以 觀 察 組 織 消 耗 氧 氣 的 情 況, 因 為 組 織 做 功 需 要 耗 氧, 因 此 若 無 新 鮮 含 氧 血 流 入 則 含 氧 與 去 氧 血 紅 素 的 比 值 會 被 拉 開, 含 氧 血 紅 素 會 釋 放 氧 氣 提 供 給 做 功 的 組 織 故 下 降 另 一 方 面 去 氧 血 紅 素 會 相 對 上 升, 這 兩 個 值 相 加 的 綠 色 線 即 局 部 總 血 流 量 因 為 動 靜 脈 被 關 住 所 以 持 平 不 變, 這 也 是 這 套 系 統 用 來 看 耗 氧 量 與 血 流 的 方 式 另 外 NIRS 除 了 用 來 看 局 部 肌 肉 的 耗 氧 外, 也 常 被 用 來 研 究 腦 中 血 氧 的 改 變 ( 圖 九 ) 30

31 第 三 章 實 驗 設 計 (Experimental Design) 第 一 節 實 驗 材 料 (Study equipments) 血 球 細 胞 處 理 儀 器 (Blood Cell Instruments) 血 球 計 數 器 Automatic hematology analyser(sysmex KX-21, SF 3000 Sysmex Co., Kobe, Japan) 環 境 氣 體 控 制 室 (Hypoxia Room) Colorado Mountain Room TM : 氣 體 控 制 暨 偵 測 面 板 (control panel); 氧 氣 濃 縮 裝 置 (oxygen concentrator); 二 氧 化 碳 清 除 裝 置 (carbon dioxide scrubber) 血 液 氣 體 分 析 氧 合 血 紅 素 飽 和 度 及 血 壓 之 測 試 血 液 氣 體 分 析 儀 blood gas analyzer(istat) 脈 衝 血 氧 計 pulse oximeter(model 9500, Nonin medical, Inc., Plymouth, MIN USA) 水 銀 血 壓 計 Sphygmomanometer(Nitirin) 最 大 運 動 測 試 與 低 氧 下 運 動 負 荷 測 試 固 定 式 腳 踏 車 Stationary Ergometer CORIVAL,.V.Co 心 電 圖 偵 測 系 統 心 電 圖 貼 片 ECG conductive adhesive electrodes meitrace KENDALL-LTP(Chicopee,MA,USA) 31

32 呼 吸 氣 流 速 度 偵 測 器 Penumotachometer(Hans Rudolph) 壓 力 差 訊 號 傳 遞 器 Differential Pressure Transducer model 急 性 低 氧 刺 激 耐 受 度 測 試 身 體 組 成 測 量 器 (Bioscreen) 靜 脈 阻 滯 體 積 瞄 記 器 (Rheoscreen) 近 紅 外 線 光 譜 測 量 儀 Near Infrared Spectroscopy 心 輸 出 體 積 瞄 記 器 Nicom 第 二 節 研 究 對 象 (Subject) 本 實 驗 之 受 試 者 為 自 願 接 受 實 驗, 年 輕 健 康 且 生 活 型 態 主 要 為 靜 態 生 活 的 男 性, 受 測 者 需 無 抽 菸 無 習 慣 性 服 用 任 何 藥 物 無 規 律 運 動 習 慣 或 訓 練 無 高 山 症 病 史 者 無 呼 吸 心 血 管 代 謝 相 關 疾 病 或 危 險 因 子 ( 如 肺 水 腫 糖 尿 病 高 血 壓 高 血 脂 ) 之 男 性, 實 驗 前 兩 週 禁 止 服 用 任 何 藥 物 包 含 中 藥 及 維 他 命, 接 受 測 試 前 一 週 禁 止 進 行 劇 烈 運 動 第 三 節 研 究 設 計 (Study design) 本 實 驗 是 採 受 試 內 設 計 (within-subject study design) 32

33 第 四 節 研 究 步 驟 (Study protocol) 本 實 驗 將 收 60 位 健 康 的 坐 式 生 活 男 性, 隨 機 分 配 至 5 個 群 組, 每 組 別 有 12 人, 分 別 為 ( 一 ) 低 氧 下 絕 對 作 功 運 動 組, 即 60% 最 大 攝 氧 量 負 荷 運 動 結 合 15% 的 氧 氣 濃 度 介 入 ;( 二 ) 低 氧 下 相 對 作 功 運 動 組, 即 60% 心 跳 儲 備 率 負 荷 運 動 結 合 15% 的 氧 氣 濃 度 介 入 ;( 三 ) 單 純 中 度 運 動 組, 即 60% 最 大 攝 氧 量 負 荷 運 動 結 合 21% 的 氧 氣 濃 度 介 入 ;( 四 ) 單 純 低 氧 介 入 組, 即 15% 的 氧 氣 濃 度 介 入 ;( 五 ) 控 制 組 在 整 個 實 驗 過 程, 要 求 受 測 者 在 每 次 實 驗 前 一 周 及 過 程 中 禁 止 劇 烈 運 動, 而 且 實 驗 前 8 小 時 禁 食 第 一 次 到 實 驗 室 時 會 詳 細 說 明 整 個 實 驗 流 程 及 注 意 事 項 後 徵 求 受 試 者 同 意 並 取 得 受 試 者 同 意 書, 另 外 會 測 量 身 高 體 重 及 填 寫 身 體 活 動 量 表 完 成 準 備 工 作 第 二 次 受 試 者 將 於 早 上 八 點 抵 達 實 驗 室, 休 息 30 分 鐘 後 量 測 血 壓 血 氧 飽 和 濃 度 抽 血, 接 著 再 開 始 進 行 最 大 運 動 測 式, 測 試 後 立 即 於 所 在 環 境 下 量 測 血 壓 血 氧 飽 和 濃 度 抽 血 兩 個 小 時 後 再 回 到 實 驗 室 進 行 量 測 血 壓 血 氧 抽 血 目 的 是 為 了 觀 察 受 試 者 在 接 受 介 入 前 後 及 兩 個 小 時 的 恢 復 期 後, 血 液 氣 體 分 析 氧 合 血 紅 素 飽 和 度 及 血 壓 的 立 即 性 變 化 及 訓 練 前 後 的 改 變, 依 據 所 測 得 的 最 大 能 力 表 現 訂 定 個 人 的 訓 練 處 方 且 33

34 隨 機 分 配 至 低 氧 下 絕 對 作 功 運 動 組 12 人 低 氧 下 相 對 作 功 運 動 組 12 人 單 純 中 度 運 動 組 別 12 人 單 純 低 氧 介 入 組 12 人 及 控 制 組 12 人 接 下 來 各 組 會 再 隨 機 各 分 配 一 半 6 人 進 行 動 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 試 ; 靜 態 急 性 低 氧 運 動 測 試 先 在 常 氧 21% 氧 氣 濃 度 下 測 量 肢 段 與 局 部 組 織 血 管 功 能 與 氧 萃 取 能 力, 之 後 再 進 入 較 日 後 低 氧 訓 練 15% 氧 氣 濃 度 劇 烈 的 12% 氧 氣 濃 度 低 氧 艙 內 待 30 分 鐘 後 再 測 一 次 肢 段 與 局 部 組 織 血 管 功 能 與 氧 萃 取 能 力 以 得 知 當 身 體 突 然 面 臨 較 劇 烈 的 低 氧 環 境 對 於 血 管 功 能 與 組 織 對 氧 的 利 用 程 度 會 有 什 麼 樣 的 影 響 動 態 急 性 低 氧 運 動 測 試 則 第 一 次 先 在 常 氧 21% 氧 氣 濃 度 下 進 行 60% 最 大 攝 氧 量 中 度 運 動 測 試 後 再 進 入 12% 氧 氣 濃 度 的 急 性 低 氧 環 境 下 進 行 相 同 測 試, 常 氧 與 低 氧 測 試 過 程 中 全 程 量 測 心 臟 功 能 腦 組 織 與 作 功 肌 群 對 氧 的 利 用 程 度 和 血 氧 濃 度, 方 能 得 知 急 性 劇 烈 低 氧 下 運 動 時 對 身 體 影 響 ; 第 二 次 會 在 受 測 者 第 一 次 及 最 後 一 次 進 行 各 組 別 的 低 氧 運 動 訓 練 時 量 測 呼 吸 氣 體 參 數 來 比 較 訓 練 前 後 在 低 氧 下 面 對 相 同 作 功 負 荷 時 身 體 的 適 應 性 所 有 測 試 在 完 成 一 個 月 的 低 氧 運 動 訓 練 後 會 再 重 複 一 次 進 行 後 測, 取 得 訓 練 後 的 動 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 試, 最 大 攝 氧 量 等 34

35 資 料 以 便 釐 清 訓 練 前 後 知 差 異 性 與 轉 變 各 項 測 試 方 式 與 詳 細 實 驗 步 驟 如 下 文 所 示 : 最 大 運 動 測 試 的 實 驗 步 驟 貼 上 三 極 誘 導 心 電 圖 裝 配 法 : 右 邊 前 腋 與 第 五 胸 肋 相 交 的 位 置 及 左 右 鎖 骨 外 三 分 之 一 處 下 方 受 試 者 至 腳 踏 車 上, 調 整 其 座 位 高 低, 戴 上 面 罩 接 嘴 並 將 呼 吸 管 調 至 適 當 位 置, 最 後 再 接 上 血 壓 計 腳 踏 車 的 速 度 維 持 在 70rpm, 暖 身 阻 力 為 0 瓦, 維 持 2 分 鐘, 然 後 以 每 3 分 鐘 增 加 30 瓦 阻 力 增 至 120 瓦 後, 改 成 每 3 分 鐘 增 加 20 瓦 阻 力 達 目 標 心 跳 數 (target heart rate=220-age) 或 受 測 者 耗 竭 為 止, 記 錄 當 時 之 室 溫 大 氣 壓 力 及 相 對 溼 度, 還 有 受 試 者 的 換 氣 量 (ventilation,l/min), 及 吐 出 氣 體 氧 氣 及 二 氧 化 碳 之 含 量 (FEO2 and FECO2,%), 由 此 測 出 最 大 攝 氧 量 如 果 受 試 者 出 現 以 下 情 況, 立 即 停 止 測 試 :( 一 ) 記 錄 之 心 電 圖 心 跳 及 血 壓 或 是 呼 吸 出 現 異 常 值 ( 二 ) 出 現 胸 痛 目 眩 及 頭 暈 或 是 呼 吸 困 難 之 情 況 血 液 氣 體 分 析 氧 合 血 紅 素 飽 和 度 及 血 壓 之 測 試 35

36 最 大 運 動 測 試 前 後 及 休 息 兩 小 時 後 立 即 於 所 在 環 境 下 抽 靜 脈 血 5 毫 升, 注 入 血 液 氣 體 分 析 晶 片 上 後 插 入 血 液 氣 體 分 析 儀 (blood gas analyzer istat) 以 取 得 血 液 PH 酸 鹼 值 PCO2 二 氧 化 碳 分 壓 Beecf 過 鹼 值 HCO3- 碳 酸 氫 根 TCO2 二 氧 化 碳 SvO2 靜 脈 血 含 氧 量 Lactate 血 乳 酸 值 等 血 液 氣 體 分 析 數 值 急 性 低 氧 耐 受 度 刺 激 測 驗 所 有 組 別 在 開 始 進 行 一 個 月 的 低 氧 運 動 訓 練 前 與 結 束 後 都 要 進 行 急 性 低 氧 耐 受 度 刺 激 測 試, 間 隔 兩 天 後 在 進 行 最 大 運 動 測 試 以 排 除 交 錯 影 響, 因 此 各 組 別 將 再 隨 機 區 分 出 靜 態 急 性 低 氧 刺 激 組 與 動 態 急 性 低 氧 刺 激 組 各 6 人 分 別 在 常 氧 環 境 (21% 氧 氣 濃 度 ) 與 較 劇 烈 低 氧 環 境 (12% 氧 氣 濃 度 ) 下 進 行 靜 態 動 態 兩 種 測 試 先 在 常 氧 下 進 行 下 述 所 有 測 試 後 再 進 入 12% 氧 氣 濃 度 的 低 氧 環 境 中 休 息 一 小 時, 之 後 重 複 所 有 常 氧 下 的 實 驗 步 驟 以 取 得 常 氧 與 急 性 低 氧 下 人 體 生 理 對 於 環 境 壓 力 改 變 的 變 化 並 研 究 血 管 組 織 在 環 境 氧 分 子 改 變 後 的 反 應 ; 並 在 結 束 一 個 月 的 低 氧 運 動 訓 練 後 將 再 進 行 同 樣 實 驗 以 比 對 訓 練 前 後 的 差 異 性 36

37 靜 態 急 性 低 氧 刺 激 組 實 驗 流 程 受 試 者 於 實 驗 前 一 晚 禁 食 八 小 時, 當 日 早 晨 8 點 半 空 腹 至 本 實 驗 室 到 報, 說 明 當 天 實 驗 步 驟 和 流 程, 靜 態 急 性 低 氧 刺 激 將 測 量 休 息 時 常 氧 低 氧 肢 段 與 局 部 組 織 動 靜 脈 血 管 功 能 與 氧 代 謝 能 力, 及 測 量 其 他 在 常 氧 與 低 氧 下 的 身 體 基 本 參 數 身 體 組 成 測 量 方 法 : 受 試 者 平 躺, 並 以 酒 精 棉 球 清 潔 右 手 背 及 右 腳 背 面 貼 上 電 極 片 : 手 背 掌 指 關 節 一 公 分 及 十 公 分 處 及 腳 背 掌 指 關 節 一 分 公 及 十 公 分 接 上 電 極 線, 進 行 測 量, 共 約 3 分 鐘 測 量 完 身 體 組 成 後, 接 著 測 量 肢 段 與 局 部 組 織 血 管 功 能 與 氧 萃 取 測 試 肢 段 與 局 部 組 織 血 管 功 能 與 氧 萃 取 測 試 方 法 : 肢 段 血 管 功 能 測 試 使 用 儀 器 : 靜 脈 阻 滯 體 積 描 記 器 (Rheoscreen) 請 受 試 者 躺 下, 以 酒 精 清 潔 以 下 部 位 並 貼 上 電 極 片 ( 裝 配 法 為 下 肢 : 於 左 右 腳 鼠 膝 韌 帶 內 側 脛 骨 頭 下 5 公 分 及 15 公 尺 37

38 及 內 踝 上 肢 : 前 臂 內 側 近 端 1 公 分 10 公 分 處, 手 腕 內 側 及 肩 關 節 前 側 胸 前 : 右 邊 前 腋 與 第 五 胸 肋 相 交 的 位 置 及 左 右 鎖 骨 外 三 分 之 一 處 下 方 共 11 片 電 極 片 ) 將 壓 力 帶 綁 於 大 腿 ( 下 肢 : 壓 力 帶 下 緣 對 齊 髕 骨 上 緣 ; 上 肢 : 壓 力 帶 下 緣 對 齊 肱 骨 內 外 稞 ) 接 上 電 極 線 及 搭 配 近 紅 外 線 光 譜 測 量 儀 後 進 行 兩 項 測 量 1 靜 脈 反 應 性 測 試 受 試 者 平 躺, 下 肢 抬 高 離 水 平 線 30 公 分, 壓 脈 帶 以 及 80mmHg 壓 力 閉 塞 靜 脈, 待 230 秒 後, 壓 脈 帶 壓 力 降 至 0mmHg 記 錄 隨 後 10 秒 數 值, 包 括 靜 脈 血 流 量 靜 脈 血 流 阻 力 及 靜 脈 順 應 性, 共 計 4 分 鐘 2 動 脈 反 應 性 測 試 受 試 者 平 躺, 下 肢 抬 高 離 水 平 線 30 公 分, 壓 脈 帶 以 60mmHg 壓 力 閉 塞 動 脈, 共 三 次, 每 次 10 秒 鐘, 以 計 算 出 平 均 休 息 時 的 動 脈 血 流 量, 隨 後 以 超 大 壓 力 阻 斷 脈 波 ( 最 小 220mmHg, 最 大 至 300mmHg), 共 計 4 分 鐘, 閉 塞 期 後 再 測 量 5 次 動 脈 血 流 量 ( 以 15 秒 的 閉 塞 時,5 秒 的 填 充 期, 壓 力 為 60mmHg), 共 計 7 分 鐘 局 部 血 管 功 能 與 氧 氣 萃 取 測 試 38

39 使 用 儀 器 : 近 紅 外 線 光 譜 分 析 儀 輸 入 受 測 者 年 紀 得 知 各 別 的 DPF(Differential path-length factor) 參 數 後 輸 入 電 腦, 並 在 調 整 近 紅 外 光 輸 出 端 與 輸 入 端 的 間 距 後 接 在 偵 測 的 局 部 肌 肉 組 織 處, 上 肢 貼 附 於 肱 橈 肌 ( Brachioradial muscle), 下 肢 則 貼 附 在 腓 腸 肌 (gastrocnemius muscle), 搭 配 靜 脈 阻 滯 體 積 掃 描 器 的 靜 脈 反 應 性 測 試 及 動 脈 反 應 性 測 試 的 流 程 進 行 局 部 組 織 的 血 管 功 能 測 試, 並 針 測 局 部 肌 肉 組 織 對 氧 氣 的 利 用 與 代 謝 動 態 急 性 低 氧 刺 激 組 實 驗 流 程 動 態 急 性 低 氧 刺 激 ( 一 )21% 12% 氧 濃 度 下 60% 最 大 攝 氧 量 負 荷 運 動 受 試 者 結 束 最 大 運 動 測 試 後 得 知 各 別 中 度 運 動 的 運 動 負 荷 (60%VO2max workload), 休 息 兩 天 再 回 到 實 驗 室 於 常 氧 與 較 劇 烈 的 12% 氧 氣 濃 度 急 性 低 氧 環 境 分 別 進 行 中 度 原 地 腳 踏 車 運 動, 各 組 皆 採 用 絕 對 作 功 量 60% 最 大 負 荷 做 為 常 氧 與 急 性 低 氧 下 的 運 動 負 荷, 運 動 過 程 中 採 用 近 紅 外 線 光 譜 測 量 儀 (Near-Infrared Spectroscopy) 偵 測 作 功 肌 群 對 氧 氣 的 代 謝, 並 以 心 功 能 測 量 儀 39

40 (Nicom) 全 程 監 控 心 輸 出 量 心 擊 出 量 心 跳 率 等 能 力, 並 以 脈 衝 血 氧 計 即 時 偵 測 動 脈 血 氧 飽 和 濃 度 與 心 跳 率, 另 外 於 運 動 過 程 中 會 量 測 受 試 者 血 壓 以 得 知 血 管 周 邊 阻 力 的 變 化 每 次 運 動 後 皆 休 息 兩 天 後 再 進 行 下 次 實 驗, 所 有 動 態 實 驗 在 進 入 低 氧 後 先 讓 受 試 者 休 息 半 小 時 後 重 複 常 氧 下 所 有 實 驗 步 驟 以 取 得 對 照 的 實 驗 資 料 環 境 因 子 諸 如 壓 力 溫 度 濕 度 皆 在 控 制 範 圍 常 氧 與 急 性 低 氧 下 中 度 運 動 方 式 腳 踏 車 的 速 度 維 持 在 70rpm, 暖 身 阻 力 為 0 瓦 維 持 2 分 鐘, 然 後 增 加 阻 力 至 目 標 負 荷 的 一 半 進 行 3 分 鐘, 之 後 增 至 目 標 負 荷 量 達 受 試 者 60% 最 大 負 荷 強 度 的 瓦 數, 並 維 持 固 定 瓦 數 20 分 鐘, 結 束 後 立 即 讓 受 試 者 休 息 3 分 鐘 低 氧 下 的 重 複 上 述 所 有 設 定 局 部 血 管 功 能 與 氧 氣 萃 取 測 試 使 用 儀 器 : 近 紅 外 線 光 譜 分 析 儀 設 定 步 驟 同 靜 態 急 性 低 氧 刺 激 實 驗 流 程 前 製 作 業 設 定 完 畢 後 將 近 紅 外 光 偵 測 光 纖 探 頭 置 於 下 肢 作 工 肌 群 股 四 頭 肌 (Quadriceps femoris muscle), 另 一 則 置 於 前 腦 葉 (Frontal lobe) 40

41 測 量 運 動 過 程 中 中 樞 大 腦 與 周 邊 作 功 肌 群 的 血 流 與 氧 代 謝 萃 取 的 變 化 結 束 5 分 鐘 暖 身 運 動 及 20 分 鐘 60% 最 大 運 動 負 荷 的 中 度 運 動 後 立 即 讓 受 試 者 休 息 停 止 動 作, 來 測 量 在 運 動 後 局 部 組 織 中 對 於 血 液 中 氧 氣 萃 取 與 代 謝 反 應 心 臟 功 能 測 試 使 用 儀 器 心 輸 出 體 積 瞄 記 器 Nicom 請 受 試 者 坐 在 椅 子 上 挺 起 上 身 並 褪 去 上 半 身 衣 物, 於 背 部 塗 抹 酒 精 並 以 砂 紙 去 角 質 後 貼 上 貼 片, 於 背 部 兩 側 棘 下 肌 (Supraspinatus muscle) 處 貼 黏 專 屬 導 電 貼 片, 並 於 下 方 處 約 25 公 分 處 在 貼 黏 另 外 兩 片 導 電 貼 片, 共 四 片 分 別 由 右 上 到 左 下 接 上 白 綠 黑 紅 四 條 接 線, 在 輸 入 受 試 者 的 年 齡 性 別 身 高 體 重 等 基 本 資 料 後 開 始 進 行 校 正 程 序, 系 統 完 成 後 直 到 所 有 數 值 出 現 後 方 能 開 始 以 非 侵 入 式 的 方 式 監 測 心 輸 出 量 心 跳 率 及 心 擊 出 量 等 數 據 先 記 錄 常 氧 與 低 氧 下 休 息 時 五 分 鐘 的 基 本 心 臟 條 件 參 數 後, 開 始 進 行 運 動 動 態 急 性 低 氧 刺 激 ( 二 )15% 氧 氣 濃 度 低 氧 下 運 動 負 荷 測 試 在 進 行 第 一 次 和 最 後 一 次 15% 氧 氣 濃 度 低 的 氧 運 動 訓 練 41

42 時, 進 行 與 最 大 運 動 測 試 時 同 樣 的 量 測, 記 錄 當 時 之 室 溫 大 氣 壓 力 及 相 對 溼 度, 還 有 受 試 者 的 換 氣 量 (ventilation,l/min), 及 吐 出 氣 體 氧 氣 及 二 氧 化 碳 之 含 量 (FEO2 and FECO2,%), 由 此 測 出 低 氧 運 動 時 攝 氧 量 所 有 過 程 皆 在 心 跳 血 氧 濃 度 血 壓 的 監 控 下 並 在 15% 氧 氣 濃 度 中 完 成 運 動 的 過 程 設 定 同 低 氧 運 動 訓 練 流 程 低 氧 運 動 訓 練 流 程 所 有 受 測 者 在 結 束 最 大 運 動 測 試 與 動 靜 態 急 性 低 氧 刺 激 耐 受 度 後 開 始 進 行 一 個 月 的 低 氧 運 動 訓 練, 訓 練 時 間 為 每 天 30 分 鐘 一 周 5 天 連 續 4 周 共 20 次, 所 有 受 測 者 到 實 驗 室 會 量 測 當 日 體 重, 並 填 寫 一 份 飲 食 回 憶 量 表 以 確 切 掌 控 受 測 者 的 飲 食 與 生 理 狀 況 是 否 正 常 避 免 影 響 到 實 驗 的 進 行, 之 後 開 始 依 據 各 別 運 動 訓 練 負 荷 進 入 常 壓 低 氧 艙 (15% 氧 氣 濃 度 ) 進 行 低 氧 運 動 訓 練, 過 程 中 確 實 記 錄 即 時 的 血 壓 心 跳 血 氧 濃 度, 並 控 制 好 環 境 中 的 壓 力 溫 度 濕 度 參 數 皆 在 正 常 範 圍 內 結 束 最 大 運 動 測 試 之 後 隨 機 將 24 名 受 測 者 分 配 至 各 自 低 氧 運 動 訓 練 組 別, 每 組 12 人 分 為 ( 一 ) 絕 對 作 功 組 別, 以 常 氧 下 最 大 運 動 測 試 得 到 的 最 大 作 功 量 取 60% 做 為 低 氧 下 的 運 動 負 42

43 荷 ; 另 一 組 為 ( 二 ) 相 對 作 功 組 別, 以 常 氧 下 最 大 運 動 測 試 得 到 的 最 大 心 跳 率 取 60% 做 為 低 氧 下 的 運 動 負 荷, 即 達 到 目 標 心 跳 即 可 運 動 過 程 總 共 30 分 鐘, 暖 身 阻 力 為 0 瓦 維 持 2 分 鐘, 然 後 增 加 阻 力 至 目 標 負 荷 的 一 半 進 行 3 分 鐘, 之 後 再 增 至 目 標 負 荷 量 達 受 試 者 60% 最 大 負 荷 強 度 的 瓦 數, 並 維 持 目 標 瓦 數 進 行 20 分 鐘 運 動, 之 後 負 荷 降 至 目 標 負 荷 的 一 半 進 行 3 分 鐘 後 再 降 至 0 瓦 騎 2 分 鐘 後 即 結 束 5 分 鐘 的 緩 和 運 動 所 有 過 程 43

44 實 驗 流 程 總 表 所 有 測 式 皆 間 隔 兩 天 實 驗 流 程 說 明 受 測 者 同 意 書 填 寫 與 基 本 身 體 組 成 測 量 最 大 運 動 測 試 (Max1) 絕 對 作 功 組 15% 低 氧 & 60% 最 大 負 荷 相 對 作 功 組 15% 低 氧 & 60% 心 跳 儲 備 率 中 度 低 氧 組 60% 最 大 負 荷 單 純 低 氧 組 別 15% 氧 氣 濃 度 控 制 阻 靜 態 急 性 低 氧 刺 激 耐 受 度 測 試 ( 分 別 在 21% 12% 氧 氣 濃 度 進 行 ) 測 量 肢 段 與 局 部 血 管 功 能 與 組 織 氧 萃 取 能 力 ( 一 ) 動 態 急 性 低 氧 刺 激 耐 受 度 測 試 ( 分 別 在 21% 12% 氧 氣 濃 度 進 行 ) 測 量 心 臟 功 能 與 大 腦 和 局 部 組 織 氧 萃 取 能 力 ( 二 ) 動 態 急 性 低 氧 刺 激 耐 受 度 測 試 ( 在 15% 氧 氣 濃 度 進 行 ) 測 量 各 組 第 一 次 訓 練 下 呼 吸 氣 體 參 數 15% 氧 氣 濃 度 下 進 行 ( 一 ) 絕 對 作 功 強 度 ( 二 ) 相 對 作 功 強 度 中 度 低 氧 組 60% 最 大 負 荷 單 純 低 氧 組 別 15% 氧 氣 濃 度 控 制 阻 30 分 鐘 / 天 5 天 / 周 連 續 4 周 動 靜 態 急 性 低 氧 刺 激 耐 受 度 測 試 ( 後 測 ) 最 大 運 動 測 試 ( 後 測 ) 所 有 資 料 收 集 與 統 計 44

45 第 五 節 資 料 擷 取 與 統 計 分 析 受 試 者 基 本 資 料 包 括 年 齡 (age) 身 高 (cm) 體 重 (kg) BMI (kg/m 2 ) 等, 採 用 敘 述 性 統 計 (descriptive statistics) 採 用 重 複 量 數 變 異 數 分 析 (Repeated measure ANOVA) 的 統 計 分 析 最 大 運 動 測 試 前 後 及 後 兩 小 時 恢 復 以 及 訓 練 前 後 乳 酸 ph 值 碳 酸 根 離 子 血 糖 尿 素 的 變 化, 不 同 介 入 方 式 一 個 月 前 後 最 大 運 動 測 式 的 呼 吸 參 數 心 血 管 循 環 參 數 血 液 參 數 變 化, 不 同 介 入 方 式 前 後 在 15% 氧 氣 濃 度 的 低 氧 下 的 呼 吸 系 統 參 數 與 心 血 管 循 環 變 化, 不 同 介 入 方 式 前 後 在 12% 氧 氣 濃 度 下 休 息 時 血 管 及 局 部 組 織 氧 氣 萃 取 參 數 所 有 數 據 皆 以 (mean±sem) 表 示, 並 以 SPSS 10.0 分 析 所 有 資 料 顯 著 水 平 α 為 0.05,p 值 小 於 0.05 達 顯 著 差 異 45

46 第 四 章 初 步 結 果 (Preliminary Data) 第 一 節 受 測 者 身 體 測 量 健 康 狀 態 及 活 動 情 形 調 查 ( 表 一 表 二 ) 本 初 步 實 驗 之 十 二 位 受 測 者 皆 為 男 性, 年 齡 平 均 為 23.3±0.9 歲, 平 均 身 高 為 173.2±1.5 公 分, 平 均 體 重 為 70.3±2.4 公 斤, 身 體 質 量 指 數 (BMI) 為 23.5±0.6 kg/m 2, 在 正 常 年 輕 男 性 範 圍 內 ( 表 一 表 二 ) 受 測 者 健 康 狀 態 和 活 動 情 形 調 查 顯 示, 在 病 史 方 面, 受 測 者 皆 沒 有 心 血 管 與 血 液 方 面 的 疾 病, 沒 有 高 山 症 的 病 史, 沒 有 肺 部 病 史, 也 沒 有 抽 煙 和 服 用 藥 物 的 習 慣, 有 些 受 測 者 會 有 服 用 綜 合 維 他 命 的 習 慣, 已 於 實 驗 前 告 知 必 須 於 實 驗 過 程 中 停 止 固 定 服 用, 以 避 免 影 響 實 驗 結 果 在 熬 夜 習 慣 方 面, 受 試 者 偶 而 會 有 熬 夜 的 狀 況 產 生, 尤 其 是 在 考 試 期 間, 因 此, 在 實 驗 前 一 周, 會 要 求 受 試 者 回 復 正 常 生 活 周 期, 避 免 不 正 常 的 作 息 影 響 自 體 免 疫 能 力 與 其 他 因 素 的 改 變 受 試 者 大 多 為 坐 式 生 活, 幾 乎 都 從 事 靜 態 的 休 閒 活 動, 從 事 競 爭 性 及 激 烈 運 動 的 機 會 較 少, 無 規 律 運 動 習 慣 ( 平 均 每 星 期 小 於 兩 次, 每 次 少 於 二 小 時 ), 不 過 還 是 會 提 醒 受 試 者 盡 量 避 免 進 行 激 烈 運 動 46

47 第 二 節 不 同 組 別 最 大 運 動 測 試 表 現 與 變 化 ( 表 三 表 四 ) 低 氧 下 絕 對 作 功 運 動 組 在 經 過 一 個 月 的 低 氧 運 動 訓 練 後, 前 後 最 大 運 動 測 試 得 到 的 最 大 運 動 表 現 上 VE 換 氣 量 VO 2max 最 大 攝 氧 量 VCO 2 二 氧 化 碳 產 生 量 RER 呼 吸 商 Maximal Workload 最 大 作 功 負 荷 TE 運 動 時 間 等 的 最 大 值 都 有 提 升 達 顯 著 差 異 在 達 無 氧 閾 值 各 項 參 數 表 現 上 則 有 VE VO2 VCO2 HR Workload TE 等 有 延 後 達 顯 著 差 異 低 氧 下 相 對 作 功 運 動 組 在 經 過 一 個 月 的 低 氧 運 動 訓 練 後, 前 後 最 大 運 動 測 試 得 到 的 最 大 運 動 表 現 上 VE 換 氣 量 VO 2max 最 大 攝 氧 量 VCO 2 二 氧 化 碳 產 生 量 RER 呼 吸 商 Maximal Workload 最 大 作 功 負 荷 TE 運 動 時 間 等 的 最 大 值 都 有 提 升 達 顯 著 差 異 在 達 無 氧 閾 值 各 項 參 數 表 現 上 則 有 Workload TE 等 有 延 後 達 顯 著 差 異 小 結 : 經 過 一 個 月 的 15% 氧 氣 濃 度 結 合 運 動 訓 練 後, 無 論 是 絕 對 作 功 組 別 或 是 相 對 作 功 組 別 在 最 大 有 氧 能 力 表 現 上 均 有 顯 著 進 步, 另 外 在 最 大 作 功 量 (Workload) 也 有 顯 著 進 步, 這 顯 示 低 氧 運 動 訓 練 不 僅 透 過 低 氧 改 變 生 理 的 有 氧 適 能 更 透 過 運 動 達 到 維 持 或 增 進 肌 47

48 力 的 效 果 而 結 果 顯 示 絕 對 作 功 組 別 在 無 氧 閾 值 能 力 的 表 現 上 比 相 對 作 功 組 別 進 步 的 多 第 三 節 不 同 組 別 最 大 運 動 測 試 前 後 及 回 復 後 兩 小 時 血 液 氣 體 參 數 的 變 化 ( 圖 十 ) 最 大 運 動 測 試 後 的 PH 酸 鹼 值 PaCO2 動 脈 二 氧 化 碳 分 壓 HCO3- 碳 酸 氫 根 等 血 液 氣 體 分 析 數 值 會 達 顯 著 下 降 Lactate 血 乳 酸 值 則 顯 著 上 升, 經 過 一 個 月 不 同 組 別 低 氧 運 動 訓 練 後, 在 絕 對 作 功 強 度 組 別 乳 酸 在 運 動 後 上 升 的 值 較 訓 練 前 提 升 達 顯 著 差 異, 相 對 作 功 組 則 訓 練 前 後 沒 有 達 顯 著 差 異 小 結 : 無 論 是 絕 對 作 功 量 或 相 對 作 功 量 在 進 行 最 大 運 動 測 試 時, 過 度 換 氣 使 二 氧 化 碳 大 量 排 出, 身 體 能 量 系 統 的 轉 換 走 向 無 氧 代 謝, 使 大 量 的 乳 酸 來 不 及 代 謝 產 生 堆 積, 也 因 此 身 體 呈 酸 性 PH 值 因 而 下 降, 因 為 體 內 重 碳 酸 根 為 了 維 持 體 內 的 酸 鹼 平 衡 會 與 氫 離 子 結 合 作 用 排 出, 也 因 此 體 內 的 重 碳 酸 根 就 會 減 少, 因 此 會 看 到 如 圖 所 示 在 最 大 運 動 過 後 PH 值, 二 氧 化 碳, 碳 酸 氫 根 顯 著 下 降 而 乳 酸 顯 著 上 升 ; 而 絕 對 作 功 組 別 在 訓 練 後 乳 酸 升 高 的 量 較 訓 練 前 還 要 高, 表 示 身 體 經 過 這 樣 的 訓 練 後 對 於 乳 酸 有 更 大 的 耐 受 性, 身 體 維 持 恆 定 的 容 忍 度 增 加 48

49 了, 因 此 可 以 在 進 行 無 氧 能 量 代 謝 時 作 用 更 久, 這 也 可 能 是 絕 對 作 功 組 別 的 無 氧 閾 值 表 現 上 能 有 顯 著 進 步 的 原 因 第 四 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 上 肢 靜 脈 血 管 功 能 表 現 ( 圖 十 一 ) 上 肢 靜 脈 功 能 訓 練 前 後 的 常 氧 進 入 低 氧 下 皆 無 顯 著 差 異, 靜 脈 流 量 (Venous Blood Flow) 訓 練 後 常 氧 下 會 下 降 靜 脈 阻 力 (Venous Resistance) 訓 練 後 常 氧 下 會 上 升 小 結 : 上 肢 因 為 沒 有 受 到 運 動 訓 練 的 介 入 只 有 單 純 低 氧 的 暴 露, 所 以 訓 練 前 後 對 於 上 肢 差 異 性 不 大, 絕 對 作 功 組 與 相 對 作 功 組 間 去 作 比 較 發 現 血 流 量 與 阻 力 在 絕 對 作 功 組 在 常 氧 會 出 現 變 化, 可 能 是 因 為 絕 對 作 功 組 的 訓 練 強 度 比 較 強, 因 為 相 較 於 相 對 作 功 組 會 使 血 管 阻 力 上 升 血 流 減 緩 第 五 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 下 肢 靜 脈 血 管 功 能 表 現 ( 圖 十 二 ) 絕 對 作 功 組 的 下 肢 靜 脈 血 流 量 訓 練 前 及 訓 練 後 在 低 氧 下 有 顯 著 49

50 減 少, 而 阻 力 在 訓 練 前 及 訓 練 後 走 顯 著 增 加, 下 肢 靜 脈 容 積 及 彈 性 沒 有 顯 著 差 異 相 對 作 功 組 則 是 在 靜 脈 血 流 量 彈 性 訓 練 前 在 低 氧 下 顯 著 較 低, 阻 力 顯 著 上 升 ; 訓 練 後 只 有 彈 性 在 低 氧 比 常 氧 高 達 顯 著 差 異 小 結 : 下 肢 靜 脈 功 能 在 絕 對 作 功 組 的 訓 練 上 似 乎 前 後 沒 有 差 異, 而 相 對 作 功 組 則 在 訓 練 後 改 善 了 常 氧 與 低 氧 下 的 差 異 性, 甚 至 靜 脈 彈 性 反 而 比 常 氧 下 還 要 好, 可 以 推 論 相 對 作 功 組 的 訓 練 強 度 對 於 靜 脈 功 能 是 較 有 幫 助 的 第 六 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 上 肢 動 脈 血 管 功 能 表 現 ( 圖 十 三 ) 上 肢 無 論 絕 對 作 功 組 或 相 對 作 功 組 對 於 動 脈 血 液 回 流 的 表 現 上 皆 沒 有 顯 著 差 異 小 結 : 可 能 是 因 為 上 肢 僅 有 單 純 低 氧 介 入 所 以 在 動 脈 的 功 能 表 現 上 沒 有 太 大 的 差 異 性 第 七 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 下 肢 動 脈 血 管 功 能 表 現 ( 圖 十 四 ) 50

51 經 過 訓 練 後 動 脈 血 回 流 在 30 秒 時 在 低 氧 中 有 顯 著 下 降 其 餘 沒 有 顯 著 差 異 小 結 : 可 能 因 為 相 對 作 功 組 別 的 負 荷 強 度 對 於 動 脈 功 能 上 沒 有 顯 著 的 助 益 第 八 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 上 肢 局 部 組 織 靜 脈 血 管 功 能 的 表 現 ( 圖 十 五 ) 上 肢 的 部 分, 絕 對 作 功 組 訓 練 前 常 氧 與 低 氧 下 沒 有 顯 著 差 異, 經 過 一 個 月 的 訓 練 後 靜 脈 可 容 性 (Venous Capacity) 訓 練 後 低 氧 則 無 顯 著 下 降 ; 靜 脈 血 流 量 (Venous Outflow) 訓 練 後 在 低 氧 下 較 原 本 在 低 氧 下 達 顯 著 上 升 ; 靜 脈 阻 力 (Venous Resistance) 靜 脈 彈 性 (Venous Tone) 皆 沒 有 顯 著 差 異 相 對 作 功 組 靜 脈 彈 性 (Venous Tone) 訓 練 前 低 氧 時 顯 著 下 降, 靜 脈 血 流 量 (Venous Outflow) 訓 練 後 低 常 氧 進 入 低 氧 查 顯 著 下 降, 靜 脈 可 容 性 (Venous Capacity) 靜 脈 阻 力 (Venous Resistance) 皆 無 顯 著 差 異 小 結 : 上 肢 未 經 運 動 訓 練, 相 較 於 下 肢 可 作 為 單 純 低 氧 的 對 照 組, 雖 然 大 多 沒 有 呈 現 顯 著 差 異, 但 可 看 得 出 訓 練 前 低 氧 下 在 靜 脈 血 流 量 51

52 有 下 降 的 趨 勢, 而 阻 力 有 上 升 的 趨 勢 第 九 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 下 肢 局 部 組 織 靜 脈 血 管 功 能 的 表 現 ( 圖 十 六 ) 絕 對 作 功 組 別 在 訓 練 前 由 常 氧 進 入 低 氧 後, 靜 脈 可 容 性 (Venous Capacity) 靜 脈 彈 性 (Venous Tone) 靜 脈 血 流 量 (Venous Outflow) 都 有 下 降 達 顯 著 差 異 ; 靜 脈 阻 力 (Venous Resistance) 則 上 升 達 顯 著 差 異 ; 在 訓 練 前 後 的 反 應 則 是 在 靜 脈 血 流 量 低 氧 組 有 上 升 達 統 計 差 異 相 對 作 功 組 別 在 各 項 數 值 上 則 沒 有 統 計 顯 著 差 異 小 結 : 雖 然 相 對 作 功 組 沒 有 統 計 差 異, 但 可 以 發 現 和 絕 對 作 功 組 在 訓 練 前 低 氧 下 有 相 同 的 趨 勢, 靜 脈 血 流 量 容 積 彈 性 都 有 下 降, 阻 力 上 升, 經 過 運 動 訓 練 的 介 入 會 使 常 氧 低 氧 下 的 差 異 消 失, 表 示 經 過 這 樣 的 低 氧 運 動 訓 練 可 以 使 靜 脈 的 能 力 在 低 氧 下 有 較 好 耐 受 性 第 十 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 局 部 組 織 上 肢 動 脈 血 管 功 能 的 表 現 ( 圖 十 七 ) 在 上 肢 局 部 組 肢 動 脈 功 能 的 部 分 絕 對 作 功 組 在 訓 練 過 後 低 氧 下 52

53 的 動 脈 血 回 衝 的 第 30 秒 50 秒 顯 著 下 降 ; 相 對 作 功 組 在 訓 練 過 後 常 氧 進 入 低 氧 後 動 脈 血 回 衝 的 第 10 秒 30 秒 50 秒 70 秒 90 秒 都 顯 著 下 降 達 統 計 差 異 小 結 : 上 肢 無 論 絕 對 或 相 對 作 功 組 在 訓 練 後 於 急 性 低 氧 下 皆 有 相 同 的 下 降 趨 勢, 由 於 上 肢 並 無 運 動 介 入 故 其 表 現 可 視 為 單 純 低 氧 介 入, 因 此 可 推 測 如 果 僅 是 單 純 低 氧 的 介 入 對 於 動 脈 血 液 回 充 的 能 力 是 有 損 害 的 而 絕 對 與 相 對 作 功 祖 的 比 較 會 發 現 相 對 作 功 組 訓 練 後 下 降 的 時 間 點 較 多, 可 能 與 不 同 劑 量 的 運 動 對 於 作 功 肌 血 流 分 部 程 度 差 異 有 關 第 十 一 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 局 部 組 織 下 肢 動 脈 血 管 功 能 的 表 現 ( 圖 十 八 ) 在 下 肢 局 部 組 織 動 脈 血 回 流 的 表 現 上 絕 對 作 功 組 在 訓 練 前 常 氧 進 入 低 氧 後 動 脈 血 回 衝 30 秒 50 秒 70 秒 時 達 顯 著 下 降, 訓 練 後 則 無 差 異 相 對 作 功 組 動 脈 血 回 衝 後 訓 練 前 常 氧 進 入 低 氧 後 在 30 秒 時 下 降 達 顯 著 差 異, 訓 練 後 則 無 顯 著 差 異 小 結 : 絕 對 作 功 組 在 訓 練 前 進 入 較 惡 劣 的 低 氧 環 境 後 對 於 動 脈 血 回 充 53

54 的 能 力 是 有 阻 礙 的, 但 經 過 一 個 月 的 15% 氧 氣 濃 度 的 低 氧 環 境 結 合 絕 對 強 度 運 動 訓 練 後 則 使 這 樣 的 差 異 性 消 失, 表 示 在 運 動 的 介 入 後 可 以 幫 助 作 工 肌 群 在 動 脈 血 液 回 流 的 能 力, 拉 近 常 氧 與 低 氧 的 差 距 相 對 作 功 組 所 看 到 的 結 果 有 相 似 的 成 效, 經 過 運 動 訓 練 後 原 先 的 差 異 性 也 會 消 失 比 較 上 下 肢 的 差 異, 單 純 低 氧 介 入 的 上 肢 在 訓 練 後 會 損 害 動 脈 血 回 流 的 能 力, 而 有 在 進 行 運 動 訓 練 的 下 肢 作 工 肌 群 反 而 使 原 本 的 差 異 消 逝, 可 推 測 是 因 為 運 動 的 介 入 讓 血 流 能 夠 充 分 再 分 部 於 作 功 肌 群 的 組 織 上 調 節 原 本 的 不 適 改 變 低 氧 下 的 阻 礙 第 十 二 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 上 肢 局 部 組 織 氧 代 謝 的 表 現 ( 圖 十 九 ) 上 肢 局 部 組 織 在 充 氧 (Reoxygenation) 的 表 現 在 絕 對 作 功 組 僅 有 訓 練 後 在 常 氧 進 入 低 氧 環 境 下 有 顯 著 下 降, 相 對 作 功 組 則 皆 沒 有 顯 著 差 異 上 肢 局 部 組 織 耗 氧 (mvo2hyp) 的 能 力 絕 對 作 功 組 經 訓 練 後 常 氧 較 訓 練 前 下 降 達 顯 著 差 異 ; 相 對 作 功 組 經 訓 練 後 由 常 氧 進 入 低 氧 下 降 呈 顯 著 差 異, 在 低 氧 下 訓 練 後 較 訓 練 前 達 顯 著 下 降 小 結 : 上 肢 的 代 謝 可 以 作 為 未 經 過 運 動 訓 練 單 純 經 過 低 氧 刺 激 後 的 對 照 組, 可 以 用 來 與 接 受 運 動 訓 練 下 肢 作 比 較, 在 此 絕 對 作 功 組 經 訓 練 54

55 後 進 入 較 惡 劣 的 急 性 低 氧 環 境 組 織 在 充 氧 的 能 力 反 而 下 降, 顯 示 若 單 純 低 氧 介 入 可 能 對 於 組 織 充 氧 的 能 力 沒 有 正 向 的 影 響 ; 而 在 組 織 耗 氧 表 現 中 絕 對 作 功 組 訓 練 後 在 常 氧 中 會 下 降, 可 能 是 因 為 長 期 的 低 氧 介 入 調 節 了 組 織 對 氧 氣 擷 取 的 調 控 機 制, 面 對 氧 氣 充 足 的 環 境 比 較 不 需 要 耗 大 量 的 氧 氣 ; 相 對 作 功 組 訓 練 後 在 低 氧 下 會 顯 著 下 降 而 絕 對 作 功 祖 沒 有 這 樣 的 情 況 推 測 可 能 是 因 為 運 動 劑 量 的 不 同 對 於 血 流 的 分 布 與 組 織 對 氧 氣 需 求 程 度 的 不 同 所 產 生 的 差 異 性, 但 機 制 仍 需 要 釐 清 第 十 三 節 不 同 組 別 靜 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 下 肢 局 部 組 織 氧 代 謝 的 表 現 ( 圖 二 十 ) 局 部 組 織 再 充 氧 (Reoxygenation) 的 能 力, 絕 對 作 功 組 相 對 作 功 組 雖 然 訓 練 前 常 氧 進 入 低 氧 有 下 降 的 趨 勢 但 兩 組 無 論 訓 練 前 後 的 常 氧 低 氧 下 皆 無 顯 著 差 異 組 織 耗 氧 (mvo2hyp) 表 現, 絕 對 作 功 組 訓 練 前 低 氧 下 會 下 降 顯 著 差 異, 而 訓 練 後 的 常 氧 表 現 較 訓 練 前 顯 著 下 降, 在 訓 練 後 低 氧 有 上 升 的 趨 勢 但 並 未 達 顯 著, 而 常 氧 低 氧 間 無 顯 著 差 異 ; 相 對 作 功 組 在 訓 練 前 常 氧 進 入 低 氧 後 下 降 顯 著 差 異, 經 過 訓 練 後 低 氧 下 的 表 現 則 上 升 達 顯 著 差 異 小 結 : 組 織 再 充 氧 的 能 力 雖 然 兩 組 皆 無 顯 著 差 異 但 訓 練 後 常 氧 低 氧 下 的 差 異 有 變 小 的 趨 勢, 絕 對 作 功 組 相 較 於 上 肢 在 訓 練 後 低 氧 下 會 55

56 顯 著 下 降, 可 以 推 測 下 肢 因 為 經 過 運 動 訓 練 所 以 並 沒 有 這 樣 的 情 況 發 生 ; 組 織 耗 氧 的 程 度 這 兩 個 組 別 在 訓 練 前 進 入 低 氧 都 有 顯 著 下 降, 但 經 過 運 動 訓 練 後 都 能 夠 使 這 樣 的 差 異 消 逝, 並 且 在 低 氧 下 有 上 升 的 趨 勢, 推 測 經 過 長 期 的 低 氧 運 動 訓 練 後 能 夠 讓 組 織 在 較 惡 劣 低 氧 環 境 下 增 強 對 氧 氣 的 擷 取 能 力, 絕 對 作 功 組 雖 然 訓 練 後 常 氧 下 有 下 降, 但 也 許 因 為 重 新 設 定 了 組 織 對 於 氧 氣 需 求 的 機 制, 所 以 在 氧 氣 量 充 足 的 環 境 反 而 不 需 要 大 量 耗 氧 就 能 維 持 組 織 的 能 量 代 謝 第 十 四 節 不 同 組 別 動 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 在 低 氧 負 荷 運 動 表 現 ( 圖 二 十 一 ) 第 一 次 和 最 後 一 次 低 氧 運 動 訓 練 所 測 得 的 氣 體 參 數 絕 對 作 功 組 別 訓 練 前 後 SaO2 VE VO2 HR 有 下 降 達 顯 著 差 異 ; 相 對 作 功 組 別 訓 練 前 後 SaO2 會 上 升 達 顯 著 差 異,HR 則 下 降 達 統 計 顯 著 差 異 小 結 : 在 15% 氧 氣 濃 度 的 低 氧 下 面 對 相 同 的 負 荷 作 功 時 兩 種 組 別 訓 練 推 論 是 利 用 不 同 的 方 式 來 達 到 適 應, 絕 對 作 功 組 別 雖 然 血 氧 濃 度 較 訓 練 前 低, 但 是 也 有 效 的 降 低 了 換 氣 量 攝 氧 量 心 跳 率 讓 身 體 不 會 受 到 太 大 的 負 荷, 相 反 的 相 對 作 功 組 則 是 血 氧 濃 度 較 先 訓 練 前 提 升, 換 氣 量 雖 然 有 降 低 的 趨 勢 但 未 達 顯 著 差 異, 推 論 也 許 是 透 過 56

57 換 氣 量 來 維 持 血 氧 中 的 濃 度, 達 到 心 跳 率 降 低 使 身 體 負 擔 減 少 的 效 果, 因 此 雖 然 在 同 樣 的 氧 氣 環 境 中 但 透 過 不 同 的 運 動 劑 量 在 生 理 上 會 產 生 不 同 的 氧 氣 傳 輸 與 利 用 的 適 應 性 第 十 五 節 絕 對 作 功 組 別 動 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 在 訓 練 前 後 血 心 管 循 環 常 氧 與 低 氧 下 的 變 化 ( 圖 二 十 二 ) 目 前 第 二 階 段 的 動 態 急 性 低 氧 耐 受 度 刺 激 測 驗 僅 完 成 絕 對 作 功 組 訓 練 前 六 位 有 五 位 已 經 完 成 後 測, 故 此 圖 表 僅 絕 對 作 功 量 組 別 在 常 氧 與 低 氧 下 進 行 狀 況 下 大 腦 組 織 氧 代 謝 與 作 功 肌 群 股 四 頭 肌 局 部 組 織 氧 代 謝, 以 及 心 臟 功 能 與 周 邊 循 環 組 力 的 資 料 絕 對 作 功 組 在 常 氧 與 低 氧 下 進 行 60% 最 大 負 荷 中 度 運 動 其 血 氧 濃 度 (SaO2) 進 入 低 氧 後 無 論 常 氧 或 低 氧 皆 有 顯 著 下 降, 訓 練 前 後 則 沒 有 顯 著 差 異 ; 心 跳 率 (Heart Rate) 由 常 氧 進 去 低 氧 後 皆 會 上 升 達 顯 著 差 異, 經 過 訓 練 後 無 論 是 常 氧 下 或 是 低 氧 下 心 跳 率 皆 比 訓 練 前 顯 著 下 降 ; 心 輸 出 量 (CO) 無 論 是 訓 練 前 常 氧 進 入 低 氧 下 有 顯 著 下 降, 訓 練 後 則 是 會 較 訓 練 後 常 氧 下 顯 著 上 升, 且 訓 練 後 在 低 氧 下 的 心 輸 出 量 較 訓 練 前 上 升 達 顯 著 差 異 ; 心 擊 出 量 (SV) 在 訓 練 前 由 常 氧 進 入 低 氧 後 有 顯 著 下 降, 經 過 訓 練 後 則 與 常 氧 沒 有 顯 著 差 異, 訓 練 前 57

58 後 在 低 氧 下 則 有 顯 著 上 升 小 結 : 目 前 動 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 僅 完 成 絕 對 作 功 組, 故 無 法 比 較 兩 種 不 同 劑 量 之 間 的 差 異 性, 但 單 就 訓 練 前 後 對 於 較 劇 烈 的 低 氧 環 境 12% 氧 氣 濃 度 進 行 60% 最 大 作 功 負 荷 運 動 時 因 為 血 氧 在 氧 分 壓 低 的 劇 烈 的 環 境 中 濃 度 會 下 降, 為 了 代 償 這 樣 的 現 象 心 跳 會 顯 著 上 升 以 擊 出 更 多 血 量 運 送 氧 氣 到 組 織 以 供 使 用, 然 而 卻 會 因 為 在 低 氧 環 境 下 限 制 了 心 臟 進 行 有 氧 代 謝 產 生 能 量 使 心 肌 無 力 心 擊 出 量 顯 著 下 降, 整 體 而 言 心 輸 出 量 在 低 氧 中 反 而 會 下 降, 太 過 劇 烈 的 心 跳 率 也 會 造 成 心 臟 很 重 的 負 擔, 但 經 過 一 個 月 的 低 氧 運 動 訓 練 後 這 樣 的 現 象 卻 改 變 了, 面 對 同 樣 環 境 的 相 同 負 荷 心 跳 顯 著 下 降, 心 擊 出 量 則 顯 著 上 升 使 急 性 低 氧 下 心 輸 出 量 反 而 上 升, 推 論 是 因 為 這 樣 的 訓 練 模 式 可 以 有 效 訓 練 到 心 肌 抵 禦 惡 劣 的 低 氧 環 境, 強 化 心 肌 作 功 的 能 力 讓 心 臟 每 次 心 擊 出 時 更 有 力, 讓 心 跳 不 需 要 這 麼 劇 烈 減 少 對 心 臟 的 負 擔 第 十 六 節 絕 對 作 功 組 別 動 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 周 邊 阻 力 在 常 氧 低 氧 下 變 化 ( 圖 二 十 三 ) 在 運 動 過 程 周 邊 阻 力 呈 現 上 收 縮 壓 (SBP) 無 論 訓 練 前 後 在 常 氧 與 低 氧 下 中 度 運 動 過 程 中 沒 有 顯 著 差 異, 但 在 低 氧 下 訓 練 後 較 訓 練 前 58

59 下 降 達 顯 著 差 異 ; 舒 張 壓 (DBP) 則 皆 無 顯 著 差 異 ; 平 均 動 脈 壓 (MAP) 接 無 顯 著 差 異 ; 總 周 邊 循 環 阻 力 訓 練 前 常 氧 低 氧 無 顯 著 差 異, 訓 練 後 低 氧 較 常 氧 有 顯 著 下 降 達 統 計 差 異 小 結 : 在 血 壓 的 變 化 來 看 訓 練 前 後 的 血 壓 變 化 不 顯 著, 但 在 總 周 邊 阻 力 的 表 現 上, 經 過 這 樣 的 訓 練 處 方 後 在 低 氧 下 反 而 下 降, 減 少 總 周 邊 阻 力 對 於 心 臟 的 負 荷, 這 樣 的 適 應 讓 身 體 能 在 面 對 劇 烈 低 氧 環 境 時 有 更 好 的 能 力 與 耐 受 度 第 十 七 節 絕 對 作 功 組 別 動 態 急 性 低 氧 耐 受 度 測 驗 大 腦 組 織 與 作 功 肌 群 局 部 組 織 氧 氣 利 用 與 代 謝 在 常 氧 低 氧 下 變 化 大 腦 前 葉 ( 圖 二 十 四 之 a) 與 作 功 肌 群 股 四 頭 肌 ( 圖 二 十 四 之 b) 使 用 近 紅 外 線 光 譜 儀 測 得 的 對 氧 氣 的 代 謝 與 利 用,O2Hb 表 示 偵 測 到 局 部 組 織 內 血 液 中 含 氧 血 紅 素 的 變 化 HHb 表 示 局 部 組 織 內 血 液 中 去 氧 血 紅 素 的 變 化 THb 表 示 總 血 流 量 的 變 化 大 腦 前 葉 血 液 ( 圖 二 十 四 之 a) 中 含 氧 血 紅 素 (O2Hb) 無 論 訓 練 前 後 進 入 低 氧 環 境 皆 下 降 達 顯 著 差 異, 訓 練 前 後 無 顯 著 差 異 ; 去 氧 血 紅 素 (HHb) 在 低 氧 下 無 論 訓 練 前 後 皆 顯 著 上 升 達 統 計 差 異, 訓 練 前 59

60 後 無 顯 著 差 異 ; 總 血 流 (THb) 在 訓 練 前 後 與 常 氧 低 氧 下 無 顯 著 差 異 作 功 肌 群 股 四 頭 肌 ( 圖 二 十 四 之 b) 中 含 氧 血 紅 素 (O2Hb) 無 論 訓 練 前 後 進 入 低 氧 後 明 顯 下 降 達 統 計 差 異, 訓 練 前 後 無 顯 著 差 異 ; 去 氧 血 紅 素 (HHb) 訓 練 前 低 氧 下 上 升 達 顯 著 差 異, 訓 練 後 則 無 顯 著 差 異 ; 總 血 流 (THb) 訓 練 前 常 氧 低 氧 下 並 無 顯 著 差 異, 訓 練 後 低 氧 會 下 降 達 顯 著 差 異 小 結 : 在 大 腦 的 氧 氣 血 流 與 攜 氧 和 去 氧 的 能 力 來 看 在 訓 練 前 後 的 差 異 不 顯 著, 面 對 劇 烈 的 低 氧 環 境 時 含 氧 血 紅 素 的 量 都 會 降 低, 去 氧 血 紅 素 量 升 高 但 血 流 量 在 低 氧 與 常 氧 下 沒 有 顯 著 差 異, 表 示 大 腦 的 自 動 調 節 機 制 能 讓 腦 部 無 論 在 什 麼 環 境 下 進 行 何 種 運 動 都 能 夠 維 持 一 定 的 穩 定 血 流 和 氧 氣 的 代 謝 能 力 以 維 持 中 樞 的 穩 定 ; 而 在 作 功 肌 群 的 組 織 表 現 中 可 發 現 含 氧 血 紅 素 在 惡 劣 的 低 氧 環 境 會 顯 著 降 低 且 訓 練 前 後 無 顯 著 差 異, 顯 示 雖 然 環 境 中 的 氧 氣 量 變 少 但 是 組 織 需 氧 的 程 度 是 不 變 的, 值 得 注 意 的 是 在 與 氫 離 子 結 合 的 去 氧 血 紅 素 表 現 上 訓 練 前 後 的 差 異 性, 訓 練 前 常 氧 進 入 低 氧 後 會 上 升, 推 想 而 知 因 為 環 境 中 氧 分 子 變 少 但 組 織 需 氧 代 謝 的 量 不 變, 所 以 氫 離 子 的 代 謝 量 會 上 升, 但 弔 詭 的 是 經 訓 練 後 反 而 常 氧 下 的 去 氧 血 紅 素 上 升 使 訓 練 後 的 常 氧 與 低 氧 去 氧 血 紅 素 的 值 沒 有 顯 著 差 異, 但 含 氧 血 紅 素 跟 血 流 量 並 沒 有 因 為 訓 60