第六章運動與呼吸 呼吸生理 呼吸 (respiration) 是氣體的交換 在人體內, 進行氣體交換的位置有二 : 一為在肺泡中, 氧進入肺泡微血管的靜脈血中, 二氧化碳由靜脈微血管進入肺泡中, 稱為肺呼吸 ( 又稱外呼吸 ) 的氣體交換 ; 另一為在組織中, 氧氣由動脈血進入組織中, 而二氧化碳由組織進入微血管中, 稱為組織呼吸的氣體交換 空氣進出, 主要的機轉為氣體的擴散, 即氣體分子由較多 較密的地方移動至較少 較疏的地方 呼吸的目的 肺泡換氣量 提供身體組織代謝必需的氧, 同時將組織代謝產生的二氧化碳, 經肺泡排出體外, 這種氣體進出的另一層意義, 是協助身體酸鹼平衡的維持或調節, 使組織免於過酸或過鹼 站在運動生理學立場, 呼吸更重要地, 也具有相當大的散熱功能, 激烈運動之時, 大量的體熱透過呼吸管道排出體外, 協助身體進行降溫工作 狀態淺呼吸正常呼吸深呼吸 潮氣量 150 500 1000 呼吸頻率 40 12 6 = 換氣量 6000 6000 6000 死腔通氣 - 量 (150ml 40) (150ml 12) (150ml 6) 肺泡 = 通氣量 0 4200 5100 空氣成分的比較 新鮮空氣 ( 吸氣 ) 呼氣與肺泡氣成分的比較 成分 新鮮空氣 (Vol%) 呼氣 (Vol%) 肺泡氣 (Vol%) 氧 20.93 16-17 14-15 二氧化碳 0.03 3-4 5-6 氮及其他 79.04 79-81 79-81 運動時的呼吸調整 運動時每分鐘的換氣量 ( 呼吸量 ) 增加, 以迎合運動的氧的需求 最大運動時, 換氣量可能增加至安靜時的十數倍之多 呼吸在運動方面的研究, 為時甚早, 1888 年 Geppert & Zuntz 已經開始研究運動時呼吸上升的情形 運動生理學者經常將呼吸與循環一起作為研究的題材, 合稱為心血管, 運動員在此方面的資質則合稱為心肺功能, 較少單獨針對呼吸加以探討或研究 1
呼吸管道 鼻 咽喉 氣管 支氣管 小支氣管及肺泡的空間, 是為氣體進出的路徑, 稱為呼吸道, 其中氣體交換, 只在肺泡進行, 其他的部份, 僅供空氣進出 不能進行氣體交換的呼吸管道, 稱為死腔 (dead space), 約相當於以磅為單位的體重的毫升數 死腔有大小之不同, 使進出肺的有效氣體交換的比率, 發生變化, 死腔較大的人, 實際氣體交換的量, 當少於死腔較小的人 肺泡 是唯一可供氣體交換, 及氣體擴散的場所, 人肺可供擴散的表面積約 60-80 平方公尺, 相當一個網球場的大小, 如此大的擴散的表面積, 使人在正常情況下, 皆能滿足呼吸換氣的要求 呼吸肌 胸腔之擴張與縮小, 需要一些與胸腔擴張與回縮有關肌肉的作功, 這些肌肉稱為呼吸肌 參與呼吸的肌肉, 呼氣與吸氣不同, 運動時與安靜時也不一樣 值得注意的是, 安靜時呼氣並沒有肌肉的參與, 運動時呼吸肌全力介入 一般未訓練的人, 偶而參加越野長跑, 常發生運動時腹部與胸部肌肉酸痛, 事後疼痛的經驗 安靜與運動時的呼吸肌 呼吸相 肌肉 安靜時參與 運動時參與 吸氣 橫膈膜 ˇ ˇ 外肋間肌 ˇ ˇ 斜方肌 ˇ 胸鎖乳突肌 ˇ 呼氣 內肋間肌 ˇ 腹肌 ˇ 呼吸與疲勞 呼吸肌與橫膈, 是高度的氧化性肌肉, 抗疲勞力強 橫膈是人類骨骼肌中對生命最重要的一塊肌肉 無意志性的換氣時, 呼吸肌的效率約 5-20% 間 呼吸肌的耗氧, 一般安靜時, 僅佔安靜攝氧量的 2% 而已 至於運動中, 最多可達總攝氧量的 15% 恢復期呼吸耗氧佔耗氧的 9-12% 阻塞性肺病的人可能會發生呼吸肌衰竭外, 正常人在海平面上, 呼吸肌疲勞通常不會限制運動的進行 吸煙與呼吸肌的耗氧 吸煙時, 產生的一氧化碳, 會導致呼吸時空氣進出管道收縮, 增加空氣進出呼吸管道的阻力, 為了克服增加的阻力, 以獲得足夠的氧氣供組織之用, 呼吸肌群必須額外的努力, 以致消耗更多的氧氣 呼吸肌的氧消耗量, 一般佔人的氧消耗量的 2% 而已, 運動時, 此耗氧比率大幅增加 2
換氣量 人每次呼吸進出肺的空氣量, 稱為潮氣量 (tidal volume,tv), 約相當於一大杯的空氣量,500 毫升之多, 此量深受身體塊頭的影響 每分鐘的呼吸 ( 頻 ) 率, 因人而異, 大致在 8-15 次間 每分鐘的換氣量, 是每次呼吸的潮氣量與每分的呼吸率的乘積, 約 5-8 公升之間 除意識性的影響之外, 每分鐘的換氣量也跟身體姿勢 情緒 疾病 體溫 代謝水準 ( 尤其是運動 ) 等因素的影響 空氣進出肺, 主要又受氣體壓力的左右, 胸腔擴張, 胸腔壓力變小, 外界空氣跑進肺部空間, 胸腔變小時, 壓力變大, 肺部空氣受擠壓, 流出體外 最大換氣量 人在漸增負荷的停最大運動中, 每分鐘的換氣量隨運動強度的增加而增加, 在整個運動過程中 ( 通常是運動的最後一分鐘 ), 每分鐘換氣量的最大值, 稱為最大換氣量 (maximum pulmonary ventilation, VE max ) 此值的大小因人而異, 約在 120~140 公升之間 個人最大換氣量的影響因素, 包括 : 運動種類 訓練程度 年齡以及性別而異 訓練有素的運動員的最大換氣量幾達一般人的 2~2.5 倍 一般人運動中的每分換氣量與最大攝氧量 ( 耗氧量 2 公升以前 ) 呈正比地上升 優秀運動員此直線關係維持更長時間 最大意志換氣量 (MVV) 除運動時的自然換氣外, 肺功能測量項目裡, 尚有一稱為最大意志換氣量的測驗 測驗時受試者在短時間內 ( 通常是 12 秒 ), 盡量最大努力換氣, 隨後再換算成每分鐘之最大意志換氣量 不同訓練程度的人, 每分換氣量的潛能相同, 訓練提升了每分換氣量, 讓人的換氣水準, 更接近個人潛能, 減少了換氣水準與最大意志換氣量的差距, 換句話說, 減少了人的換氣保留功能 (breathing reserve; 簡稱 BR) 肺擴散能量 肺擴散能量影響肺泡換氣的因素, 包括分壓 擴散路徑的距離 紅血球與血紅素量 擴散面積 分壓梯度 ( 差距 ) 大 擴散路徑短 紅血球與血紅素多時, 有利於肺泡換氣 肺擴散能量 ( 單位 :ml/min/mmhg) 女性比男性稍低些 運動員有較大的肺擴散能量 肺擴散能量的增加, 是因訓練增加肺容量, 提供更多肺泡 - 微血管的接觸面積 肺活量 一般人的潮氣量約 0.5 升, 呼氣儲備量 1.2 升, 殘氣量 1.2 升, 吸氣儲備量 2 升, 肺活量 3-5 升之間 影響這些肺容量的因素有身高 年齡與身體鍛鍊等 運動員有比較高的肺活量 (FVC) 及肺總量 (TLC) 肺活量 (vital capacity) 是最大吸氣後進行最大吐氣時所吐出的氣體量 長久以來肺活量被認為是呼吸功能的重要指標 其重要性由它的 vital 名稱有 重要 或 致命 的原意可以了解 肺活量的影響因素包括體姿 呼吸肌肌力 肺與胸廓的伸張力 在水中肺活量稍降 除游泳選手外, 運動訓練的效果不大 殘氣量 殘氣量 (residual volume) 或稱肺餘容積, 是最大吐氣後, 尚殘留肺的空氣量 一般男生約為 1400 毫升, 女生為 1100 毫升 進行水中稱重測量身體密度時, 通常需要殘氣量的資料 這是因為人雖然在水中, 儘量吐氣, 肺部尚保留一些無法吐出的氣體空間, 必須扣除, 才不致於影響身體密度測量的結果 殘氣量對肺活量佔有一定的比例, 而殘氣量又不容易測量, 因此有研究人員分別以肺活量乘以 0.28 與 0.24 所得之值來代表男女的殘氣量 3
運動的呼吸反應 運動時的喘氣, 可能是人類對運動感受最深的反應 通常人當每分鐘的呼吸量 ( 換氣量 ) 在 20-30 升時開始, 需要用嘴巴呼吸, 才能滿足獲氧氣的需求 健康又受過訓練的正常人, 換氣量可由 120 升 / 分增加到 150 升 / 分, 耐力性運動員可達 180 升 / 分, 更有划船選手增加至超過 240 升 / 分的紀錄 肺換氣量與氧消耗量 隨著運動的進行, 氧需要量的需求逐漸提升, 每分鐘換氣量亦直線地上升, 通常在大約 70%VO 2max 之前, 肺換氣量與氧消耗量成直線關係, 而後 (OBLA 後 ) 越接近最大運動量, 直線關係開始發生變化, 耗氧量的增加幅度, 比不上換氣量增加的幅度 相對的, 此刻的換氣量與二氧化碳排出量尚能維持良好的直線關係, 此現象充分反應換氣與排除二氧化碳, 維持體內酸鹼平衡的密切關係 運動中換氣反應與控制來源 運動階段反應控制來源 運動前 適度增加 大腦皮層之心理因素 運動前段 迅速上升 肌肉關節等肢體活動 運動後段 緩和上升 二氧化碳之堆積 恢復前段 迅速回降 肌肉關節活動之停止 恢復後段 逐漸恢復 二氧化碳逐漸排除 運動強度與氣體交換 運動越激烈, 每分之氧消耗量 換氣量與二氧化碳排出量越呈直線的增加 氧攝取百分率與二氧化碳排出率在較高強度之 1200kpm 運動負荷時, 稍微下降, 顯示運動越趨激烈, 呼吸愈趨急促之同時, 在肺泡內行氣體交換的時間愈短, 影響到氧與二氧化碳的交換 過度換氣 過度換氣 (hyperventilation) 指呼吸量超越合理水準 當運動非常激烈時, 呼吸急促, 可能發生過度換氣的現象 此時往往二氧化碳排出量異常增加, 以至血中含氧減少, 二氧化碳含量增加 在呼吸氣之分析, 可發現呼吸交換率高於 1.0, 由於血含氧量減少, 可能發生暈歇現象 再生氣 (second wind) 再生氣指運動初期, 呼吸急促 困難的解除, 肢體酸痛之舒緩, 運動者逐漸擺脫運動前段身體不適階段, 對運動的進行, 漸感暢順的現象 再生氣出現的條件, 是運動須屬有氧性運動, 且運動的強度穩定 再生氣出現的理由, 包括 :1. 運動初期呼吸的調整 2. 活動中血流的調整, 排除乳酸 3. 熱身效果 4. 局部肌疲勞 ( 尤其是呼吸肌 ) 的解除 5. 心裡適應 6. 血流再分配至橫膈 7. 兒茶酚胺 (Catecholamine) 分祕, 增加收縮性 8. 橫膈收縮效率改善 耐力性運動員, 比賽前的熱身運動, 或有助於提早再生氣的來臨, 對運動成績表現有所助益 4
無氧閾值 (anaerobic threshold) 當運動強度維持在適當的範圍, 運動者氧攝取量足夠應付運動的氧需要量, 呼吸不急促, 運動中, 每分耗氧量 換氣量 心跳率 血乳酸值等皆維持在穩定而低的水準時, 稱之穩定狀態 (steady state) 運動強度逐漸增加時, 增加到某一強度時, 穩定狀態將不再能夠維持 能夠維持穩定狀態的最大運動強度, 稱為無氧閾值 (AT) 無氧閾值越高的人, 越能在不大量增加換氣量與乳酸堆積的情況下勝任長時間的運動 呼吸與氧結合 血液氧結合能量 肺呼吸的最後目的, 是把氧氣帶入動脈血中, 代謝產物二氧化碳在肺泡讓它擴散出 氧與二氧化碳在血中輸送的方式, 主要賴與血中血紅素結合的方式進行 安靜時, 輸送入體內動脈血中的氧, 約有 98% 結合成氧合血紅素輸送走, 只有不到 2% 氧直接溶解在血液中 ; 二氧合碳的排除方式, 約 95% 同樣的與血紅素結合, 另約 5% 在血液中, 與水形成重碳酸離子, 或和血中蛋白質形成碳醯胺化合物等之化學結合 最激烈運動時, 溶解的氧量雖然增加至 12%, 還是以結合的方式為主 直接溶解於血中的氧, 其量雖少, 它在血中, 形成血氧分壓, 化學受納器, 靠氧分壓之偵測, 了解身體之是否缺氧, 對呼吸循環的調節, 具有重要意義 安靜與運動中的 O 2 與 CO 2 動脈血 混合靜脈血 差 安靜 19.80% 15.18% 4.62% 氧 運動 48.00% 51.80% 3.80% 安靜 21.20% 5.34% 15.86% 二氧化碳 運動 45.00% 60.00% 15.00% ( 安靜 VO 2 =0.246L/min; 運動 VO 2 =3.2L/min) 氣體分壓與氣體量 海平面氣體 百分比 分壓 氣體量 氧 20.93 159mmHg 209.3 二氧化碳 0.03 0.2mmHg 0.4 氮氣 79.04 600mmHg 790.3 肺泡 (37 ) 氣體 百分比 分壓 氣體量 氧 14.5 103mmHg 145 二氧化碳 5.5 39mmHg 55 氮氣 80.0 571mmHg 800 水蒸氣 47mmHg 氧合血紅素 每克血紅素飽和時, 可結合 1.34 ml 氧 運動中血液濃縮, 血紅素濃度增加 5-10%, 血紅素載氧能量可能由 20.1 增至 22.1 Vol % 影響血紅素飽和氧的因子包括 :PO 2 血 PCO 2 血溫 血酸鹼度以及紅血球中之 2,3- DPG 不過, 在高地與貧血之類不正常情況下,2,3-DPG 才會有影響 5
氧飽和度 (%S0 2 ) 氧合血紅素解離曲線 血紅素與氧結合的百分率, 稱為氧飽和度 氧飽和度最高為 100% 此一指標用來表示血中血紅素與氧結合, 是最高飽和能量的百分率 氧飽和度受氧分壓的影響, 血中氧分壓高時, 氧飽和度高, 氧分壓低時, 氧飽和度下降 表示不同氧分壓情況下的氧飽和度之圖形, 稱為氧和血紅素解離 ( 結合 ) 曲線 由圖中可以看出, 安靜時動脈血氧分壓約為 100mmHg, 氧飽和度約為 97.5%; 靜脈血中, 氧分壓約為 40mmHg, 氧飽和度約為 75% 氧合血紅素解離曲線 運動中, 乳酸增加,CO 2 增加,pH 下降, 體溫增加, 使血紅素氧解離 ( 或結合曲線 ) 往右推移 2,3DPG 在組織中促進氧與血紅素分離 環境改變時, 濃度要數小時才會有明顯的改變 氧飽和度解離曲線的特徵, 是曲線的右上方幾乎接近水平,( 往下對應的是肺泡氣之氧分壓 ), 中間部分陡峭 ( 往下對應的是組織中的氧分壓 ) 解離曲線的意義 在高地上, 空氣中氧分壓大幅滑落時, 導致肺泡氣氧分壓大幅下降 ( 如, 在肺泡中, 氧分壓由 100mmHg 降至 70mmHg), 只造成氧飽和度小幅度的下降 ( 由 97.5% 降至 93mmHg 而已 ), 動脈血尚可獲得足夠的氧輸送至組織中 另一方面, 在組織中, 相對應的氧飽和度, 由於曲線陡峭, 氧分壓適度減少時, 氧飽和度大幅地下降 ( 表示氧與血紅素的結合能力大幅下降 ), 氧更容易由血管往組織中釋放, 進入組織中供細胞使用 呼吸與運動能力 肺系統通常不被認為是長時間非最大運動的限制因素 呼吸肌, 橫膈, 是高度的氧化性肌肉, 抗疲勞力強 動脈氧分壓在非最大運動中從來不會下降 運動員有比較多的肺活量 (FVC) 及肺總量 (TLC) 運動員消耗每升氧或產生每升 CO 2 僅需較少的換氣量 運動中, 運動員似乎對增加呼吸的刺激較不敏感 空氣污染 運動時, 由於進出體內的空氣量劇增, 空氣污染對運動者的威脅更形嚴重 空氣污染源降低血液攜氧能力 增加呼吸道的阻力, 甚至改變對努力程度的知覺等 人體對於這些污染物質的反應情形與其吸收污染物的量有關, 影響的程度, 決定於污染物的濃度 曝露的持續時間及吸入的量等 6
臭氧 (Ozone ) 當連續曝露在高臭氧濃度的環境下 (0.75 ppm)2 小時, 其 VO 2max 會降低 研究指出, 連續曝露在臭氧濃度只有 0.12 ppm( 美國空氣品質標準 ) 下 6 ~12 小時, 肺功能會衰退以及會有一些呼吸方面的症狀出現 因此建議一天當中, 臭氧和其他污染物質濃度升高時, 應謹慎避免激烈運動 二氧化硫 (Sulfur Dioxide) 二氧化硫 (SO 2 ) 主要為燃燒化石燃料的結果 二氧化硫對一般人並不會有肺功能方面的不良影響, 但對氣喘患者卻會引起支氣管的收縮, 當然, 影響支氣管收縮的因素尚有吸入空氣的溫度和濕度 一氧化碳 (Carbon Monoxide ) 燃燒化石燃料 煤 油 汽油 木材或是抽菸, 都會產生一氧化碳 (CO) 一氧化碳很容易和血紅素結合 (HbCO) 而減低血紅素帶氧能力, 進而影響最大運動中的生理反應以及 VO 2max 對不吸菸的人而言, 血中一氧化碳 (HbCO) 通常不到 1 %, 但對吸菸者則可能高達 10% VO 2max 會隨著 %HbCO 的增加而減少, 其中, 當 HbCO 超過 4.3% 以後,HbCO 每增加 1 %, VO 2max 則減少 1% 因應空氣污染的運動策略 在實際運動前減少曝露在空氣污染處, 因空氣污染對人體的影響與時間及污染量有關 遠離有可能會吸到 CO 的地方 : 如吸菸區 交通流量大的地方及都市環境 在交通巔峰時段 ( 上午 7-10 點, 下午 4-7 點 ) 勿安排戶外活動, 以免吸過多空氣污染物質 尤其在城市的人, 運動應避開交通巔峰時段與交通巔峰路段 運動性氣喘 (EIA) 運動性氣喘 (exercise induced asthma; EIA) 是指運動誘發的氣喘症狀 氣喘 Asthma( 來自希臘文的喘氣 to pant ) 是一種肺部發炎引發氣管狹窄呼吸困難的疾病 發炎使得氣管對過敏原 化學刺激物 香菸 冷空氣或運動產生敏感 所有的氣喘患者中, 超過 80% 的孩童及 60% 的成人, 會在運動中或運動後發生 EIA 大部分臨床研究認為, 引發運動性氣喘 (EIA) 的過程 : 運動時吸入空氣 ( 例如 : 在乾冷環境中運動或轉由嘴巴呼吸 ) 導致氣管乾冷而產生一種化學物質促使氣管縮收 如空氣中有花粉或污染物則會更加加劇 EIA 的危險 運動雖會引起氣喘, 但是由於它能帶來很大益處, 故專家們仍鼓勵大家透過一些管理策略來從事定期 規律的運動 7
修改運動習慣及練習方式 : 1. 適當的暖身 (warm-up) 及整理活動 (cooldown): 預防或減少 EIA 的偶發 2. 運動的項目 : 決定 EIA 程度的關鍵 戶外跑步最易引起, 室內跑步機 騎腳踏車其次, 游泳極少, 因為水表面濕暖的空氣可預防氣管變乾變冷 3. 運動時間的長短 : 長時間激烈的持續性運動 ( 如 : 跑步和騎車 ) 會比重複性短時間具爆發力的運動 ( 每次少於 5 分鐘 ) 更容易導致 EIA 對某些氣喘的人而言,Stop-and-go 的運動 ( 網球 排球 足球 ) 就會有較少的 EIA 4. 運動的強度 : 高強度 (80~90% 最大心跳率 ) 會比中等強度運動 ( 走路 ) 導致更多的 EIA 5. 用鼻子呼吸 : 比起用嘴呼吸較能吸到濕暖的空氣, 同時研究也顯示, 大部分運動時用鼻呼吸的人較能達到足以改善有氧適能的運動強度 6. 冷天中穿戴口罩或圍巾 : 如此可增加吸入的空氣的溫度和濕度, 減少氣管變乾變冷 7. 監控環境中潛在過敏原和刺激物 : 如果環境中有過敏原或刺激物出現 ( 如 : 髒亂處 重鋪設的體操館地板 空氣中的煙霧 春天早晨高濃度的花粉 ), 應適時的改變運動的時間和地點 8